论文参考(基于铜电阻的数值温度计的设计).doc

摘 要 温度是最重要的物理量之一，几乎没有什么物理特性不与温度有关，电阻温度测试仪是利用电阻随温度的变化而变化的物理特性而制成的。热敏电阻具有稳定性、耐氧化和价格便宜等特点,它在低温测量中占有重要的地位。本文介绍了一种利用8051单片机并采用热敏电阻进行温度测量的硬件电路以及软件设计方法。利用电桥电路，将温度的变化转换成电压的变化；利用恒流源和8位A/D转换器设计温度测量电路。被测温度是通过软件公式计算得到的。该方法具有简单、实用、测量精度高、抗干扰能力强等特点。具有较高的性能价格比。热敏电阻温度测试仪被应用在很多方面，例如：电子温度计、加热恒温电器、汽车电子温度测控电路、医疗电子设备、充电电器等等。该热敏电阻温度测试仪具有很多优点，例如：灵敏度高、体积小、热惯性小、寿命长以及价格便宜等优点。 关键词 热敏电阻；单片机；模数转换器 Abstract The temperature is one of the most important physical parameters, almost all of the physical property associate with temperature. Thermal resistance temperature tester is using of resistance from physical property of changing in temperature. Thermally sensitive resistor is characterized by stability, anti-oxidation and cheap in price etc. It has important position in low temperature measurement. Introducing in this article is circuit hardware and software design that using 8051 single-chip microcomputer with thermally sensitive resistor for temperature measurement. The change of temperature is converted into change of voltage by using bridge circuit. The temperature measurement circuit is designed with constant current source and 8 bits A/D converter. Measurement of temperature is obtained through software program and formula calculation. This method has many characteristics such as simplicity, practicality, high precision of measure, strong anti-interference etc. And it has higher performance-cost ratio. The thermally sensitive resistor temperature tester is applied to many areas such as electronic thermometers, thermostats heating appliances, automotive electronic temperature monitoring and control circuits, medical electronic equipment, rechargeable electrical appliances, etc. The thermally sensitive resistor temperature tester has many advantages such as high sensitivity, small size, small of the thermal inertia, longevity and cheap in price. Key words Thermally sensitive resistor; Single-chip microcomputer; A/D converter 目 录 摘 要.I Abstract.II 第1章 绪论.1 1.1 课题研究的历史背景.1 1.2 温度测量方法的类型.2 1.3 温度测量系统应考虑的问题.2 1.4 数值温度计研制的意义.3 1.5 本章小结.3 第2章 系统概述.4 2.1 系统参数指标.4 2.2 系统功能介绍.4 2.3 本章小结.4 第3章 方案论证.5 3.1 传感器的选择.5 3.1.1 热敏电阻的种类.5 3.1.2 热敏电阻的主要参数.5 3.1.3 热敏电阻的灵敏度.6 3.1.4 热敏电阻的优点.7 3.1.5 热敏电阻的缺点.7 3.2 模数转换器的选择.7 3.3 显示电路的选择.8 3.4 本章小结.8 第4章 单片机硬件设计.9 4.1 总体思路和电路结构框图.9 4.2 电源电路的设计.9 4.2.1 三端稳压管7805.9 4.2.2 电源电路的设计.10 4.2.3 电容滤波电路.11 4.3 单片机模块电路.11 4.3.1 系统的需求分析.11 4.3.2 单片机AT89S52简介.11 4.3.3 复位电路的设计.13 4.3.4 时钟电路的设计.14 4.4 本章小结.15 第章 温度采集电路设计.16 5.1 热敏电阻测温原理.16 5.1.1 热敏电阻的基本特性.16 5.1.2 常数C、D、E的计算.16 5.1.3 热敏电阻的阻值计算.17 5.1.4 随环境温度变化的热响应时间常数.18 5.2 测量电路的设计.20 5.2.1 电桥的分类.20 5.2.2 电桥的状态.20 5.2.3 电桥的输出电压.21 5.2.4 电桥的输出功率.21 5.2.5 测量电桥电路的设计.24 5.3 模数转换电路.24 5.3.1 ADC0804芯片的特点.24 5.3.2 ADC0804模块电路设计.26 5.4 显示和报警电路.27 5.5 硬件电路的制作.28 5.6 本章小结.28 第章 系统程序设计.29 6.1 系统程序整体框架.29 6.2 数据采集子程序设计.29 6.3 显示子程序设计.29 6.4 系统程序的调试.31 6.5 本章小结.31 结 论.32 参考文献.33 致 谢.34 附录 1 整体电路原理图.35 附录 2 电路PCB图.36 附录 3 系统程序流程图.37 第1章 绪论 1.1 课题研究的历史背景 温度是国际单位制(SI)中七个基本物理量之一。它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切的关系，几乎没有不要求温度检测的生产过程和科学研究。 一般来讲，温度是表征物体冷热程度的物理量。而其严格的定义根据热力学第零定律如果两个系统中每个系统都与第三个系统处于热平衡，则它们之间也处于热平衡。在描述各平衡系统热状态的热力学参数中，有一参数具有相同的值，这一参数被称为温度。这就是温度的热力学定义1。 为了定量地描述温度，还必须建立温度的数值概念。用数值表示温度高低的标尺，称为温标。它是温度传递的标准，是温度传感器与温度仪表进行分度的依据。温标最早使用的是经验温标，它的产生和发展经历了很长的历史进程，为科学技术的进步和现代温标的形成起了先导作用。最早的测温装置是由伽利略在15921603年发明的，它由一个玻璃球和一条长的玻璃管组成。测温时，将玻璃管插入到带色的液体中。若预先加热泡内的气体，则在其后的冷却中，液体会进入到管内。根据液体进入管内的程度，就可以判断大气温度的高低。 在建立经验温标期间，产生了确定温度固定点的要求。在1669年，Fabri首先提出一个建议，提出了两个温度固定点，较低的固定点是雪的温度，较高的温度点是夏天最热的温度。其后在1693年，Padua提出固定点应该是冰的融化点和水的沸点，在这两个固定点之间，温度应该被分成12份。同年，英国的E.Halley应用水银作为感温液体，制造了水银温度计1。 温度测量的一个重要里程碑是Fahrenheit建立的，他在1706年制造的水银温度计使用了三个温度固定点： (1)水和氯化铵的混合物温度为0度； (2)冰和水的混合物的温度为32度； (3)人体的温度为96度。 人们并不知道Fahrenheit为什么选择这几个固定点，但有人认为他选择冰和水的混合物的温度为32度是为了避免在最冷的天气时温度出现负值。 1742年，瑞典天文和物理学家Anders Celsius发明了一种新的水银玻璃温度计，他规定水的沸点是100度，冰的融化点是0度。在这两个固定温度点之间，将温度计等分为100份。 除了以上四种经验温标外，还曾经出现过多种经验温标，但现在常用的经验温标只有以下两种： (1)华氏温标 1724年华氏(Daniel Fahrenheit)提出的以冰水混合物为“32度”，水的沸点为“212度”，中间等分为180份，每份为1度，以“”表示。 (2)摄氏温标 1742年摄氏(Anders Celsius)提出的以水的冰点为“0度”，水的沸点为“100度”，等分100份，每份1度，以“”表示。 1.2 温度测量方法的类型 温度测量方法的分类很多，从测量时传感器中有无电信号可以划分非电测量和电测量两大类；从测量时传感器与被测对象的接触方式不同可以划分为接触式和非接触式1。而每种测量方法中温度测量又有许多种类，如膨胀式温度计、金属热电偶温度计、热电阻温度计、热敏电阻温度计、光学温度计、红外温度计等，见图1-1。 图1-1 温度计分类 1.3 温度测量系统应考虑的问题 最简单的温度测量系统是由温度传感器和温度显示仪表组成；较完善的系统是由传感器、温度显示仪表和温度记录仪表组成，或者还将温度信号经变送器转换为统一电信号。 在进行测温时选择哪一种温度测量系统，应考虑以下四个问题： (1)温度范围 这是选择传感器的主要依据。各种温度计或高温计都有自己的量程范围，原则上只要在其允许的量程范围内，任何一种温度计都可选用。 (2)使用场合 温度传感器应用在什么场合是重要的条件，如箱式电炉有氧化氛或还原性气体；盐炉的腐蚀性很强，高频炉的干扰严重，这就需要根据实际情况决定选择哪种传感器。可供选择的条件是传感器尺寸(如直径及长度)、传感器类型、保护材料以及传感器结构等。 (3)温度响应 这主要是由传感器的质量、材质与体积决定的。接触式传感器的时间常数愈小，温度响应愈快；非接触式温度传感器一般都具有足够灵敏度，响应无问题等特点。 (4)传输方式 所谓传输方式是指温度传感器将温度信号传送到温度显示仪(或显示记录仪)的组成方式。如有的温度测量要求不高，需要就地显示，即可采用普通液柱式温度计或气压温度计；有的需要远距离传送，则应采用热电偶等电传式温度计1。 1.4 数值温度计研制的意义 目前，几乎所有的科研和生产过程都和温度密切相关。因而，准确地测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量都是十分重要的。例如，对于超低温物理和超高温物理现象、等离子加热技术及快速凝固技术的研究，都需要准确地测量和控制温度；又如在金属冶炼过程中，若温度得到准确控制，则能源消耗可降低17%、劳动生产率可提高18%而且金属产量可增加15%。因此，正确地进行温度的测量与实时的温度显示和及时的高温警报，对于新材料的研究与生产、促进科技的发展以及生产水平的提高都具有重要的意义。而且该设计出的系统还应具备方便携带，数据采集直观、准确、快速，抗干扰能力强等特点。 1.5 本章小结 本章介绍了温度测量的历史背景、测量方法还有温度测量系统应考虑的问题。同时也介绍了根据不同的应用场合的多种温度测量系统，以及它们各自具有哪些优缺点和使用过程中应注意些什么问题。面对当前生产发展，特别单片机技术的进步。使用热敏电阻作传感器，通过单片机进行数据处理、显示温度是一种可行的方法。而且单片机具有工作稳定、响应速度快、控制显示直观等优点，这在实际科研或者生产过程都是很有实用价值的2。同时该设计使用的热敏电阻，价格便宜，与数字式温度传感器相比，大大地降低了温度计的制作成本，所以该数值温度计的研制很有市场经济价值。 第2章 系统概述 2.1 系统参数指标 该设计的数值温度计的技术参数 (1)热敏电阻的工作温度范围：0230； (2)系统电路的工作温度范围：090； (3)电压分辨率是：20mV； (4)系统的测温精度是：1； (5)采用LED动态显示方式； (6)电阻变化范围：030k； (7)系统额定功率：0.5W； (8)通道：1。 2.2 系统功能介绍 本文介绍了一种采用热敏电阻作为温度传感器, 利用8051单片机进行数据处理和温度显示的硬件电路。这次使用的热敏电阻是一个已经封装在铜管内标准的常温阻值是10k的产品。由于它的封装性好，可以直接将它放进待测物体中进行接触式温度测量。 以下是购买的热敏电阻的封装尺寸如下： (1)圆柱底面直径：5mm; (2)圆柱高：25mm; (3)导线长：350mm。 而利用热敏电阻开发温度测量和控制系统主要应用到以下各方面: (1) 电子温度计、电子万年历、电子钟温度显示、电子礼品； (2) 冷暖设备、加热恒温电器； (3) 汽车电子温度测控电路； (4) 温度传感器、温度仪表； (5) 医疗电子设备、电子盥洗设备； (6) 手机电池以及充电电器。 2.3 本章小结 本章主要介绍了研制的数值温度计的系统技术参数以及关于该温度计的一些功能介绍。指出了该数值温度计工作条件、测温精度还有显示方式等等。由于该温度计采用的感温元件已经被封装好，所以大大降低了由于在测量高温液体或者气体时造成元器件损坏的可能性。该系统可以应用到多种场合的温度测量和控制。 第3章 方案论证 3.1 传感器的选择 3.1.1 热敏电阻的种类 (1)按结构及形状分类圆片形(片状)、圆圈形(垫圈形)和杆状阻体等多种热敏电阻器。 (2)按温度变化的灵敏度分类高灵敏度型(突变型)、低灵敏度型(缓变型)热敏电阻器。 (3)按受热方式分类直热式热敏电阻器、旁热式热敏电阻器。 (4)按温度变化特性分类正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)热敏电阻器。 3.1.2 热敏电阻的主要参数 除标称阻值、额定功率和允许偏差等基本指标外，还有如下指标： (1)测量功率：指在规定的环境温度下，电阻体受测量电源加热而引起阻值变化不超过0.1%时所消耗的功率。 (2)材料常数：是反映热敏电阻器的热灵敏度的指标。通常，该值越大，热敏电阻器的灵敏度和电阻率越高。 (3)电阻温度系数：表示热敏电阻器在零功率条件下，其温度每增加（或减少）1所引起电阻值的相对变化量。 (4)热时间常数：指热敏电阻器的热惰性。即在无功功率状态下，当环境温度突变时，电阻体温度由初值变化到最终温度之差的63.2%所需的时间。 (5)耗散系数：指热敏电阻器的温度每增加1所耗散的功率。 (6)开关温度：指热敏电阻器的零功率电阻值为最低电阻值两倍时所对应的温度。 (7)最高工作温度：指热敏电阻器在规定的标准条件下，长期连续工作时所允许承受的最高温度。 (8)标称电压：指稳压用热敏电阻器在规定的温度下，与标称工作电流所对应的电压值。 (9)工作电流：指稳压用热敏电阻器在正常工作状态下的规定电流值。 (10)稳压范围：指稳压用热敏电阻器在规定的环境温度范围内稳定电压的范围值。 (11)最大电压：指在规定的环境温度下，热敏电阻器能正常工作时所允许连续施加的最高电压值。 (12)绝缘电阻：指在规定的环境条件下，热敏电阻器的电阻体与绝缘外壳之间的电阻值。 3.1.3 热敏电阻的灵敏度 (1)正温度系数热敏电阻器 结构用钛酸钡(BaTiO3)、锶(Sr)、锆(Zr)等材料制成的。属于直热式热敏电阻器。 特性电阻值与温度变化成正比关系，即当温度升高时电阻值随之增大。在常温下，其电阻值较小，仅有几欧姆几十欧姆；当流经它的电流超过额定值时，其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆数千欧姆以上。 作用与应用广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及过热或过电流保护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫等小家电中。 (2)负温度系数热敏电阻器 结构用锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)等金属氧化物(具有半导体性质)或碳化硅(SiC)等材料采用陶瓷工艺制成的。 特性电阻值与温度变化成反比关系，即当温度升高时，电阻值随之减小。 作用与应用广泛应用于电冰箱、空调器、微波炉、电烤箱、复印机、打印机等家电及办公产品中，作温度检测、温度补偿、温度控制、微波功率测量及稳压控制用。 所以根据不同的用途，NTC热敏电阻又可分为两类：一类是电阻值与温度之间呈负指数关系的负指数型 NTC，一般用于测量温度，且测量范围较宽；另一类为突变型 NTC，当其温度上升到某一设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。 同样，PTC 热敏电阻也可分为突变型PTC与线性型PTC两类，突变型 PTC 温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩色电视机中作自动消磁元件；线性型PTC可用于作温度补偿或作温度测量，NTC热敏电阻和 PTC热敏电阻的温度电阻特性曲线如图3-1所示1。 (1)变型NTC (2)负指数型NTC (3)线性型PTC (4)突变型PTC 图 3-1 热敏电阻的温度电阻特性曲线 一般的NTC热敏电阻测温范围为50300，而一些高温热敏电阻可测700，而一些低温热敏电阻可测到250。 3.1.4 热敏电阻的优点 (l)电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，测量线路简单。甚至不用放大器便可输出几伏的电压； (2)体积小，重量轻、热惯性小； (3)本身电阻值大，不需要考虑引线带来的误差，因此适于远距离测量； (4)热敏电阻产品已系列化，便于设计选用； (5)工作寿命长，而且价格便宜。 3.1.5 热敏电阻的缺点 (1)非线性大，应用时要在电路上进行线性化补偿； (2)稳定性稍差，会出现老化现象； (3)同一种型号有3%5%的阻值误差，所以一致性差，要互换时则要进行挑选。 由上述优缺点可知，热敏电阻一般不适用于高精度温度测量及控制，但在测温范围较小时，也可获得较好的精度。它非常适用于家用电器、空调器、复印机、电子体温计等产品中作测温元件。 从图3-1可以看出，热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性度较大，因此在使用时要进行线性化处理，因为线性化处理只能在一定程度上改善热敏电阻的非线性。所以我在这里首先硬件上采用串联电阻改善其变化趋向线性化，而软件上作出在一定的温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，以简化计算。 热敏电阻的应用是为了感知温度。为此给热敏电阻以恒定的电流，测量电阻两端所得到的一个电压差值就可以将温度变化转变成为电压信号的变化。而把热敏电阻两端的电压差值经过A/D转换器变成数字量信号，然后由单片机系统通过软件方法计算得出当前温度值，再进行显示控制，就成功完成对温度的检测与显示1。 3.2 模数转换器的选择 在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控(被测)对象数据以达到由计算机进行实时控制、检测的目的，常用微处理器和A/D转换器组成数据处理系统。 ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。由于该芯片应用方便、实现简单，我在这里也采用了它。该芯片的连接原理框图如图3-2所示： 图 3-2 ADC0804电路连接图 3.3 显示电路的选择 该电路系统采用四位8段的共阳极扫描型数码管进行温度显示。 动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段ah同名端连在一起，而每一位数码管的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各位显示器轮流点亮。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约2ms)，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。在我们人眼看来，就觉得是四位数字同时显示的感觉。 3.4 本章小结 本章首先从材料上来讲解了热敏电阻随温度改变而阻值变化的原理。然后介绍了热敏电阻的几种分类方法以及相应的电阻型号。接着又介绍了与热敏电阻相关的主要参数和灵敏度以及热敏电阻的优、缺点。最后介绍了该设计中所选用的A/D转换器（ADC0804）的应用电路特点。至于显示部分则采用四位8段的共阳极进行动态显示，既减少了电路的元器件又降低了整机电路的功耗。经过以上分析证明：该数值温度计采用这些元器件组合而成的测温系统是可行的，系统的制作成功率高。证实系统的初步方案理论上可行。 第4章 单片机硬件设计 4.1 总体思路和电路结构框图 本电路系统主要应用的温度范围在0230之间。系统的输入电压为直流7V12V，经过稳压电源转换成为5V电压给电路的各个子系统供电。 首先是稳压电源，在电路中加入滤波电路，这里采用电容滤波法，去掉电源中的谐波信号。接着就是将输入的直流电压再经稳压管稳压后得到5V的直流电源。此稳压电源便是整个电路系统的唯一的供电电源。 硬件包括直流稳压电路、单片机系统、热敏电阻测量电桥电路以及A/D转换模块、数码管显示模块和高温警报模块3。电路系统框图如图4-1所示。 图 4-1 电路系统框图 4.2 电源电路的设计 4.2.1 三端稳压管7805 目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器，性能指标高而使用方便,并极大地简化了电源的设计,促进了电子设备中的稳压器向通用化、标准化发展。由于它只有输入端、输出端和公共端三个引线端子，故称之为三端式稳压器。 三端稳压器的电路原理图符号如图 4-2 所示： 图4-2 三端稳压器原理图符号 图4-3 三端稳压器元件封装 而它的电路封装如图4-3所示。可以看出该芯片的接口相当简单，而且在电路排板中也不会出现什么大困难。 三端稳压器由启动电路、基准电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。内部电路如下图所示： 图 4-4 三端稳压器内部电路图 三端稳压器7805的集成保护电路：包括两个方面减流式保护电路和过热保护电路。 (1)减流式保护电路是通过比较输入和输出电压差值来调整管的Vce值，从而使调整管的功耗限制在允许范围之内，故上述保护称之为减流式保护。 (2)过热保护电保护电路如图4-4中R15的作用是给Q15管的Iceo和Q16管的Icbo一条分流通路，以改善温度的稳定性。 值得指出的是：当出现故障时，上述两种保护电路是互相关联，共同对电路进行保护作用的。为了提高稳压电源的整体工作效率，7805的最小输入电压为7.5V。 4.2.2 电源电路的设计 在设计电路的电源时，我采用的直流7V12V的输入，经过7805稳压得到5V电压。电源部分原理如图4-5所示： 图 4-5 电源电路原理图 4.2.3 电容滤波电路 电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7f,用于滤除低频谐波信号，二级用0.1f，用于滤除高频谐波信号，4.7f的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1f的电容则是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。与此同时，在集成电路芯片旁边布置0.1pf的瓷片电容，还可以实现一个供电作用，因为在电路状态改变时，会消耗很大的电流。布置了电容，不但起到滤波，而且能够给集成芯片提供稳定的电压。所以在单片机的电源引脚处我布置了三个0.1f瓷片电容，这样对AT89S52和ADC0804这两块集成芯片提供稳定电压，保证了电路中的核心部分芯片能正常工作。所以，我在这里将前级的电解电容定为1000f，次级的电解电容定为470f，这样就可以清除了负载或电源的高频干扰；同时两端都并联0.1f的瓷片电容，起到滤波和供电的作用。 4.3 单片机模块电路 4.3.1 系统的需求分析 在该设计中，单片机是作为电路设计中的主控芯片。它负责控制A/D转换器的工作，将数字信息转化成控制信号，同时也要将当前温度通过数码管实时显示出来。而要实现这些控制和运算功能，用8位的单片机AT89S52就能够很好地完成。它物美价廉、方便好用。所以我在设计这个数值温度计时选用了它。 4.3.2 单片机AT89S52简介 首先介绍一下在该设计中所使用的单片机AT89S52。MCS-51是Intel公司的一种单片机系列的名称。MCS-51系列单片机有8051/8751/8031、8052/8752/8032等品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构和应用上有些区别。由于MCS-51系列单片机的基本功能是兼容的，因此在这里以8051为例，来介绍51系列单片机的基本功用。 (1) MCS-51引脚及功能 8051单片机是标准的40引脚集成电路芯片，引脚排列如图4-6所示。 图4-6 单片机引脚排列图 (2) 各引脚功能简要说明： 输入/输出引脚 P0.0P0.7: P0口8位双向I/O口，占3932脚； P1.0P1.7: P1口8位准双向I/O口，占18脚； P2.0P2.7: P2口8位准双向I/O口，占2128脚； P3.0P3.7: P3口8位准双向I/O口，占1017脚；