基于熱敏電阻的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-2"\h\u1課程設(shè)計(jì)的目的12課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求13設(shè)計(jì)方案與論證14電路設(shè)計(jì)24.1溫度測量電路34.2單片機(jī)最小系統(tǒng)64.3LED數(shù)碼顯示電路85系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)96系統(tǒng)調(diào)試97總結(jié)11參考文獻(xiàn)13附錄1：總體電路原理圖14附錄2：元器件清單15附錄3：實(shí)物圖16附錄4：源程序171課程設(shè)計(jì)的目的〔1〕掌握單片機(jī)原理及應(yīng)用課程所學(xué)的理論知識；〔2〕了解使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的根本思想和方法，學(xué)會科學(xué)分析和解決問題；〔3〕學(xué)習(xí)單片機(jī)仿真、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法、技巧；〔4〕培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度；〔5〕鍛煉自己的動手動腦能力，以提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求〔1〕采用LED數(shù)碼管顯示溫度；〔2〕測量溫度范圍為-10℃~110℃；〔3〕測量精度誤差小于0.5℃。3設(shè)計(jì)方案與論證方案一：本方案主要是在溫度檢測局部利用了一款新型的溫度檢測芯片DS18B20，這個(gè)芯片大大簡化了溫度檢測模塊的設(shè)計(jì)，它無需A/D轉(zhuǎn)換，可直接將測得的溫度值以二進(jìn)制形式輸出。該方案的原理框圖如圖3-1所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)數(shù)碼顯示溫度傳感器DS18B20制系統(tǒng)。圖3-1方案一系統(tǒng)框圖方案二：溫度檢測局部采用傳統(tǒng)的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，將熱敏電阻與固定電阻串聯(lián)后分壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別得二進(jìn)制數(shù)字量，然后根據(jù)程序查表得到溫度值，單片機(jī)主要控制LED顯示器顯示正確的溫度值，并根據(jù)設(shè)置的上下限控制繼電器動作，從而控制外部負(fù)載。該方案的原理框圖如圖3-2所示。熱敏電阻熱敏電阻A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)最小系統(tǒng)數(shù)碼顯示圖3-2方案二系統(tǒng)框圖方案一與方案二的主要區(qū)別在溫度檢測局部，方案一主要利用DS18B20這塊芯片進(jìn)行溫度檢測，并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識別的二進(jìn)制數(shù)。方案二是采用熱敏電阻檢測溫度，然后利用A/D轉(zhuǎn)換器將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)供單片機(jī)處理。它最大的特點(diǎn)就是它能檢測的溫度范圍很大，熱敏電阻的性能決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的所能檢測的溫度范圍。方案一的溫度檢測范圍已經(jīng)由系統(tǒng)中的DS18B20的特性所決定，它能檢測的溫度范圍為-55℃到120℃，其溫度檢測范圍很寬，已能足夠滿足一般測量需要，方案一是利用現(xiàn)有的智能溫度傳感芯片DS18B20，無需A/D轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字量，從整體上來看方案二比方案一更具有實(shí)際的鍛煉意義，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。4電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路主要包括3個(gè)局部：〔1〕溫度測量電路；〔2〕單片機(jī)最小系統(tǒng)；〔3〕LED數(shù)碼顯示電路。4.1溫度測量電路溫度測量電路主要由ADC0809、TL431、熱敏電阻和電阻組成。TL431是一個(gè)由良好的熱穩(wěn)性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意設(shè)置到2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、可調(diào)電壓源、開關(guān)電源等等。在此電路中，它用于給ADC0809和熱敏電阻提供可調(diào)電壓。電路中的熱敏電阻作為測溫元件，它是利用感溫元件〔導(dǎo)體〕的電阻隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，從而到達(dá)測溫的目的。導(dǎo)體測溫元件，它與熱電阻的溫阻特性剛好相反，即有很大負(fù)溫度系數(shù)，也就是說溫度升高時(shí)，其阻值降低。它們的關(guān)系為(4-1)式〔4-1)中RT－在溫度T(K)時(shí)的電阻值；RT0：在溫度T0(K)時(shí)的電阻值；E：自然對數(shù)的底數(shù)；B：與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù)；T：被測溫度；T0與熱敏電阻有關(guān)的溫度參數(shù)。根據(jù)這一公式，如果能測得熱敏電阻兩端的電壓，并知道參數(shù)T0和B，那么可以計(jì)算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，即：被測溫度，就這樣就把電阻隨溫度的變化關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷弘S溫度變化的關(guān)系。系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將的溫度測量電路中輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為可供單片機(jī)識別的數(shù)字信號。主要采用ADC0809串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其管腳圖如圖4-1所示。圖4-1ADC0809引腳圖引腳功能如下。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。OUT1～OUT8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖〔至少100ns寬〕使其啟動〔脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換〕。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平〔轉(zhuǎn)換期間一直為低電平〕。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能翻開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLOCK：時(shí)鐘脈沖輸入端。REF〔+〕、REF〔-〕：基準(zhǔn)電壓。VCC：電源，單一+5V。GND：地。ADC0809工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比擬器。START上升沿將逐次逼近存放器復(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門翻開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。〔1〕定時(shí)傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送?！?〕查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片有說明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送?！?〕中斷方式把說明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號〔EOC〕作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先，送出出口地址，并且在信號有效時(shí)，即OE信號有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接收。利用熱敏電阻和電阻串聯(lián)，用TL431制作4V電壓用于A/D的參考電壓和熱敏電阻的供電，R7是分壓電阻，R9是可調(diào)電位器，用于調(diào)節(jié)TL431的輸出電壓。當(dāng)溫度升高時(shí)，R8熱敏電阻的阻值變小，串聯(lián)的30k的電阻兩端的電壓就會升高，ADC0809采集到電壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將數(shù)字量傳輸給單片機(jī)。溫度測量電路圖如圖4-2所示。圖4-2溫度測量電路4.2單片機(jī)最小系統(tǒng)STC89C51是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有4K可編程Flash，其引腳如圖4-3所示。圖4-3STC89C51的引腳圖單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。時(shí)鐘電路：此系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。STC89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳X1和X2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反應(yīng)元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反應(yīng)回路中。時(shí)鐘電路圖如圖4-4所示。圖4-4時(shí)鐘電路復(fù)位電路：STC89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個(gè)施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路。復(fù)位電路圖如圖4-5所示。圖4-5復(fù)位電路4.3LED數(shù)碼顯示電路該電路選用的數(shù)碼管是四位八段共陽極的，數(shù)碼管的掃描方式分為靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描兩種，由于單片機(jī)資源有限，這里采用的是動態(tài)掃描的方法。在該接法中，用到單片機(jī)的P0和P1口，其中P0作為輸出口；電路中利用三極管驅(qū)動數(shù)碼管，用電阻起到限流作用，使得數(shù)碼管亮度適中，其電路圖如圖4-6所示。圖4-6LED數(shù)碼顯示電路圖5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序主要包括初始化、溫度采集、數(shù)據(jù)處理和顯示溫度四局部。該電路設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖5-1所示。開始初始化采集溫度數(shù)據(jù)處理顯示溫度圖5-1程序流程圖溫度采集和數(shù)據(jù)處理局部主要由熱敏電阻、數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0809、單片機(jī)及四位共陽數(shù)碼管組成。通過測得熱敏電阻阻值，利用熱敏電阻阻值與電壓的對應(yīng)關(guān)系，將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)化為輸出電壓，ADC0809采集輸出的電壓信號，并將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)P0口輸出，最后由四位共陽數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式顯示溫度。6系統(tǒng)調(diào)試在整個(gè)調(diào)試過程中首先應(yīng)注意各個(gè)模塊的供電問題，其中單片機(jī)和A/D等芯片使用5V電壓供電。由熱敏電阻構(gòu)成的測溫局部和A/D的參考電壓輸入端那么使用+4V電壓供電，表6-1為系統(tǒng)的調(diào)試數(shù)據(jù)。表6-1系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)熱敏電阻輸出電壓理論測量溫度實(shí)際測量溫度3.23V-6℃-7℃3.67V-3℃-3℃3.8V18℃18℃調(diào)試結(jié)果如圖6-1、圖6-2、圖6-3所示。圖6-1調(diào)試結(jié)果一圖6-2調(diào)試結(jié)果二圖6-3調(diào)試結(jié)果三7總結(jié)經(jīng)過一周的課程設(shè)計(jì)，通過對熱敏電阻的數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及計(jì)算得出如下結(jié)論。設(shè)計(jì)電路關(guān)鍵在于對設(shè)計(jì)要求的理解分析以及對根本電路相關(guān)知識的熟練掌握。設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功能分成假設(shè)干個(gè)局部來實(shí)現(xiàn)，是簡化電路設(shè)計(jì)思路的很好方法；且搞清各個(gè)模塊的功能與實(shí)現(xiàn)要求操作的具體方法，對電路故障的檢查也是很有幫助。通過這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西，如查找資料，設(shè)計(jì)比擬，從各種圖中提取所需。焊接時(shí)學(xué)到了好多，如如何在一定大小的板子上正確擺放好芯片，如何布線等等，調(diào)試時(shí)也是，知道了用工具如萬用表來檢查、修復(fù)故障。本設(shè)計(jì)對有限溫度范圍內(nèi)的溫度測量具有較高的精度，在這過程中，感謝老師和同學(xué)對我們的幫助，程序經(jīng)過無數(shù)次地調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了測量溫度顯示。在做實(shí)物的過程中，我們在焊接時(shí)還是謹(jǐn)小慎微，但是由于焊接時(shí)引腳短路的問題導(dǎo)致實(shí)物沒出來現(xiàn)象。學(xué)會了用Proteus軟件的應(yīng)用。在以后的學(xué)習(xí)中更加地完善自己，努力提升自己。參考文獻(xiàn)[1]楊素行．模擬電子技術(shù)根底[第3版]．北京：高等教育出版社，2006．[2]閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)根底[第5版]．北京：高等教育出版社，2006．[3]趙茂泰．智能儀器原理及應(yīng)用[第3版]．北京：電子工業(yè)出版社，2023．[4]郭天祥．51單片機(jī)C語言教程．北京：電子工業(yè)出版社，2006．[5]張忠梅．單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[第4版]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．[6]李朝青．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[第3版]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．[7]孫有才．新型AT89S51系列單片機(jī)及其應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2001．[8]姚福安．電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐．濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2023．[9]李青．電路與電子技術(shù)根底．杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2004．附錄1：總體電路原理圖附錄2：元器件清單序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1單片機(jī)STC89C5112模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC080913數(shù)碼管4位共陽14三極管901245晶振12MHZ16排阻10K17電阻22012.2K410K130K18瓷片電容30pF2100nF19電解電容10uF110電位器10K111可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431112導(dǎo)線假設(shè)干13焊錫假設(shè)干附錄3：實(shí)物圖附錄4：源程序//程序頭函數(shù)#include<reg52.h>//宏定義#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineData_ADC0809P1//管腳聲明//ADC0809sbitST=P3^3;sbitEOC=P3^4;sbitOE=P3^2;//顯示數(shù)組 0-9 H,L,-ucharData_[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x76,0x38,0x40};ucharcodeData_T[]={//AD數(shù)值對應(yīng)的溫度0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,/*0-11*///此范圍內(nèi)為無效值，讀到的數(shù)據(jù)為70x89,0x88,0x87,0x86,0x85,0x84,0x83,0x82,0x81,/*12-20*/ //此范圍內(nèi)為負(fù)溫度值-9~-10,1,2,3,4,5,6,6,7,8, /*21-30*/ //以下為正溫度0-1119,9,10,11,11,12,13,13,14,15,/*31-40*/15,16,17,17,18,18,19,19,20,21,/*41-50*/21,22,22,23,23,24,24,25,25,26,/*51-60*/26,27,27,28,28,29,29,30,30,30,/*61-70*/31,31,32,32,33,33,33,34,34,35,/*71-80*/35,36,36,36,37,37,38,38,39,39,/*81-90*/39,40,40,41,41,42,42,42,43,43,/*91-100*/44,44,44,45,45,46,46,47,47,47,/*101-110*/48,48,49,49,49,50,50,51,51,51,/*111-120*/52,52,53,53,54,54,54,55,55,56,/*121-130*/56,57,57,57,58,58,59,59,60,60,/*131-140*/60,61,61,62,62,63,63,64,64,65,/*141-150*/65,65,66,66,67,67,68,68,69,69,/*151-160*/70,70,71,71,72,72,73,73,74,74,/*161-170*/75,75,76,76,77,78,78,79,79,80,/*171-180*/80,81,82,82,83,83,84,85,85,86,/*181-190*/87,87,88,89,89,90,91,91,92,93,/*191-200*/94,94,95,96,97,98,99,99,100,101,/*201-210*/102,103,104,105,106,107,108,109,110,111 /*211-220*/}; sbitWei1=P2^7;sbitWei2=P2^6;sbitWei3=P2^5;sbitWei4=P2^4;//函數(shù)聲明voidDisplay(ucharData);uinttemp,temp1;ucharp;//ADC0809讀取信息ucharADC0809(){ uchartemp_=0x00; //初始化高阻太 OE=0; //轉(zhuǎn)化初始化 ST=0; //開始轉(zhuǎn)換 ST=1; ST=0; //外部中斷等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束 while(EOC==0); //讀取轉(zhuǎn)換的AD值 OE=1; temp_=Data_ADC0809; OE=0; returntemp_;}//延時(shí)voiddelay(uintt){ uinti,j; for(i=0;i<t;i++) for(j=0;j<10;j++);}voidmain(){ uchari; uintpp; while(1) { for(i=0;i<50;i++) { temp=ADC0809(); pp=pp+temp; Display(temp1); } temp1=pp/50; pp=0; temp1=Data_T[temp1]; for(p=0;p<50;p++) Display(temp1); } }//顯示Data表示數(shù)據(jù)voidDisplay(ucharData){ Wei1=1; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; P0=0xff; if(Data>128) { Data=Data-128; P0=~Data_[12];Wei1=0; Wei2=1; Wei3=1; Wei4=1; delay(10); Wei1=1; We