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电气电子毕业设计论文
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毕业设计3A2661吴瑾热敏电阻测温,电气电子毕业设计论文
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九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 JIU JIANG UNIVERSITY 毕 业 论 文（设 计） 论文（设计）题目： 热敏电阻测温 Thermistor Realization Temperature Measurement 院 系： 电子工程学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 吴 瑾 年 级： A2661 班 指导教师： 吴 德 会 二零零六年五月 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 前 言 温度是一个基本的物理量，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%且金属产量可增加 15。因此，正确地进行温度的测量与控制，对于新材料的研究与生产、促进科技的发展及生产水平的提高都具有重要的意义。 特别是在工业和农业高速发展的今天，监测并控制环境温度显的十分重要。 温度传感器是信息科学技术的重要基础元器件，热敏电阻在 温度传感器中使用最为广泛。而国内原有的热敏电阻生产厂家，由于技术、设备落后，品种不全，长期不能满足市场需要，国内市场一度被日本产品垄断。近年，航天和海洋研究部门提出了许多在特殊环境使用的热敏电阻，例如：高温热敏电阻、低温热敏电阻、深海测温热敏电阻等。 这种热敏电阻对我国航天和军事工业非常重要，直接影响运载火箭发射和卫星姿态控制的方法和质量。从 1996年起，为适应我国家电工业和国防任务的需求，研制成了能适合多种环境条件和用途的高性能的负温度系数热敏电阻及传感器以及相关的产业化生产技术。本文就是利用简单传感器热 敏电阻进行温度测量，采用 A/D转换，和单片机控制实现温度测量，整个系统设计成本低。 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 摘 要 热敏电阻测温是现代家电设备（例如热水器）中常用的一种技术，即用来测试外界温度。本设计将采用传感器、数字和模拟电子、单片机技术实现温度检测和控制，再利用数码管显示温度值。本系统由四个模块构成：采样模块， A/D转换模块，控制模块，显示模块。由于温度信号是一个模拟量，不能直接与单片机交换信息，要由热敏电阻进行采样，放大处理，再经过芯片 ADC0809进行 A/D转换，然后采用动态扫描方式驱动四位 LED数码管显示。控制模块由 AT89S51提供，往AT89S51编程，用软件来实现温度控制和温度的显示 .整个电路简单 , 在这个精度要求不太高测温系统易于实现。 关键词 ： 采样 A/D转换 数显 温控 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 Abstract The thermistor measured temperature is one kinds of technology which commonly used in the modern electrical appliances equipment .Take water heater as example ,it namely is used to test the open air temperature. This design will use the sensor, digital and the analog electron, the monolithic integrated circuit technology realization temperature examination and the control, again will use the digital tube demonstration temperature value. This system constitutes by four modules circuit: Sampling module, A/D transformation module, control module, demonstration module. Because the temperature signal is a simulation quantity, cannot directly with the monolithic integrated circuit exchange information, have to carry on sampling by the thermistor, enlargement processing, again carries on A/D transformation by chip ADC0809 , then transform selects the dynamic scanning method to actuate four LED numerical code tube demonstration. The control module provides by AT89S51, toward the AT89S51 programming, realizes the temperature control and the temperature with software reveals .The entire electric circuit is simple, It is easy to realized in the system which is not need high accuracy . Key words: Sample A/D transformation digital tube demonstration Temperature control nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 目 录 前言 . 摘要 . Abstract . III （一）系统设计 . . 2 1.1 热敏电阻测温简介 . .2 1.2 设计任务和要求 . .3 1.3 总设计方案 . .3 （二）采样模块 .4 2.1 传感器的选择 . .4 2.2 测温电路的组成 .4 2.2.1 采样电路 .5 2.2.2 放大电路 .6 (三 )转换模块 .7 3.1 A/D 转换电路设计 . . . 7 3.2 主要性能 .8 （四） 显示模块 . 9 4.1 数码管驱动 .9 4.3 设计优点 .10 (五 ) 软件设计 .11 5.1 主程序流程图 .11 5.2 子程序流程图 . .12 结束语 .13 附页 . .14 致谢 . . 19 参考文献 . 19 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 （一）系统设计 1.1 热敏电阻测温简介 热敏电阻是温度传感器中运用最为广泛的器件。本设计就是用热敏电阻测量外界温度 ，其原理是把温度信号转换为电压信号，其输出电压直接与带有 ADC的处理器接口相连进行 A/D转换，然后通过四位数码管显示被测环境温度。 一般特性 测量对象：环境温度 采样速度：约每秒一次 显 示： 四位八段数码管显示 1.2 设计任务和要求 温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。为此，我 设计了 一种采用 AT89S51 单片机进行 温度测量的 系统 ， 设计要求： （ 1）通过对热敏电阻特性的分析，建立温度到电阻，电阻到可测参量的转换关系，实现温度的测温功能。 （ 2）测温范围为 080， 灵敏度为 50 mV/ (3) 以某一种形式显示温度值 1.3 总体设计方案 (1) 设计思路 （ a）用热敏电阻对环境温度进行采样，热敏电阻将温度的变化转为电阻的变化，电阻是不易测量，设计电桥将电阻转换为电压模拟量，再将电压进行放大处理。 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 （ b）将模拟信号送入 A/D 转换器，即 ADC0809 进行处理，由 AT89S51软件编程控 制，动态驱动四位数码管显示。 （ c）显示电路采用动态显示，由于动态显示可以简化硬件电路，降低成本在电路板上容易实现。我采用四位数码管显示，使之能达到显示范围。 (2) 设计原理 该热敏电阻测温由热敏电阻 NTC103D等组成的电桥把温度信号转换为电压信号，然后进行放大，放大后将其输出电压直接与 ADC0809接口相连，由 AT89S51控制进行 A/D转换。最后 A/D变换后数字信号也由单片机 AT89S51 处理后，直接驱动数码管显示被测环境温度。这就是我设计的热敏电阻测温原理。 (3) 原理框图 N T C温度采集热敏电阻A D C 0 80 9A / D 转换A T 8 9S 51控 制单片机检 测四 位显 示数码管图 1-1 （二）采样模块 2.1 传感器的选择 在选择温度传感器时，应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。目前，应用最广泛的温度传感器是热电偶、热电阻、热敏电阻和 PN结型温度传感器。 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻（ PTC），负温度系数热敏电阻（ NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（ CTR），在温度测 量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 应用较多。热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，且阻值较大，如应用于野外测量，几十欧的引线电阻对测量影响较小，可忽略不计，非常适合测量微弱温度变化。但是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。由于本系统测量 中 考虑价格等多种因素，选用 NTC型热敏电阻较为合适。 2.2 测温电路的组成 2.2.1 采样电路 由于温度是一个不易测量，必须运用传感技术，将不易测量转换为可测信号。本设计运用了热敏电阻将温度变化转换在电阻的变化，又应电阻的变化是很难测量出来的，所以必须把电阻 转换为电压，在采样电路中我运用了一个惠斯顿电桥实现了这个转换。 R23 6KRtN T C 10 3 DRP3 3KR33 6KU o u tE图 2-1 在图 2-1惠斯顿电桥中两端的稳定电压为 E,R2， R3为固定电阻， Rp为可变电阻， Uout为电桥输出电压，当 Uout=0时，电桥属于平衡状态，此时有 ： RtRRpR *3*2 (1) 当 Uout不为零时，电桥属于不平衡状态，则有 )32()( 32 RRRpRt RtRRpREU o u t (2) nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 在一定条件下，调 整电桥达到平衡状态，有（ 1）式可见，此时电桥的平衡状态与电源无关；当外界条件改变时，传感器的阻值 Rt会有相应的变化，这时电桥平衡被破坏，由（ 2）式可知，桥路两端的 Uout也随之而变，由于桥路的输出 电压 Uout能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界温度的变化。 综上所述，热敏电阻把温度转化为电压信号的过程，就是通过内阻的变化来反应输出电压的变化，形成一个信号源。 1020304050806070- 20 - 10 0Th e r m i s t o r R e s i s t a n c e v s t e m p e r a t u r eResistance(k)Te m p e r a t u e r10 20 30 40 50 8060 70图 2-2 根据这个热敏电阻的温度电阻特性，进行参数设计。本设计中要求测量范围为 080，图中可看出电阻的范围为 336K，这样桥臂上的滑动变阻器的范围也应在这个范围内，在此采用 33K的滑动变阻，根据式子（ 1）就确定 R2， R3的阻值，都取 36K。 2.2.2 放大电路 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 由于桥路输出的 Uout 变化范围小，不易测量。为了测量，采用放大电路，使之能明显的表示温度的变化。在电路 2-2中使用了反相比例放大。 R1RRfU+O P A M PU-U i nUo图 2-3 在电路设计时，电阻的取值应在合适的范围之内，除应满足电压传递比要求外，还要考虑运放输出电流的限制，并使运放非理想因素的影响尽可能地小。此外，电阻本身的功耗不能超过其额定值。 Rf的取值应使运放的输出 电流小于其最大值。 我们取图 2-4 中的固定电阻为 200K 左右。 通过（ 2）式，我们能计算出当温度为 80时，输出电压大概为 2V，电压则需放大一倍，则 Rf最大电阻为 400K左右，根据这些分析，设计出了如下的总测温电路图： R23 6kR33 6kR4 2 00 KR52 00 kR62 70 kR72 70 kRtN T C 10 3 D+5R P 13 3KR P 22 70 KAO P A M PR11 .2 KDu 。GND 图 2-4 这个电路的测温范围为 080 ,相应输出 04V,灵敏度为 50 mV/ 。热敏电阻在高温时电阻值较小，低温时电阻值较大，为了防止过大自身发热，电流一般为 1mA， 0 时调节 RP1 使输出为 0，在 80 时，调节 RP2，使输 出为 4V。 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 （三） 转换模块 3.1 A/D 转换电路图 此电路是本设计的关键部分，承担着此次设计的 A/D转换部分，采用的芯片是 ADC0809 和单片机 AT89S51。 ADC0809 主要功能是进行 A/D转换，AT89S51主要功能是控制 A/D转换， P3端口用作 ADC0809转换控制， P0端口作为 A/D转换数据输入。 D1L E DI N 31I N 228I N 42I N 127I N 53I N 026I N 64A25I N 75B24SI6C23E O C7A L E22D38D721OE9D620C L K10D519V C C11D418V R E F +12D017GND13V R E F -16D114D215A D C 08 0 9C11 0 FR P 34 .7 KR81 0KS1R E S TD2L E DR 1 02 20R92 20V C CY11 1MC23 0PC33 0PSTD1D3D0D2E O CD4OED7D6D5GNDGNDV C CP 1. 0C1P 1. 1C2P 1. 2C3P 1. 3C4P 1. 4C5P 1. 6C7P 1. 5C6P 3. 0 / R X DSTP 3. 1 / T X DOEP 3. 2 / I N T 0E O CP 3. 3 / I N T 1C L KP 3. 4 / T 0P 3. 5 / T 1P 3. 7 / R DP 3. 6 / W RRES9GND20EA31P 0. 0 / A D 0D0P 0. 1 / A D 1D1P 0. 2 / A D 2D2P 0. 3 / A D 3D3P 0. 4 / A D 4D4P 0. 5 / A D 5D5P 0. 6 / A D 6D6P 0. 7 / A D 7D7A L EA L EP S E NP 2. 7 / A 1 5P 2. 6 / A 1 4P 2. 5 / A 1 3P 2. 4 / A 1 2P 2. 3 / A 1 1S4P 2. 2 / A 1 0S3P 2. 1 / A 9S2P 2. 0 / A 8S1X218X119VCC40393837363534333230292827262524232221123765481011P 1. 7C8121314151617A T 89 S 5 1V C CC L KV C Cnts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 图 3-1 3.2 主要性能分析 (1) A/D 转换： （ a） 首先要选择哪个路模拟电路，例如：选择 IN0通道，电路 ADDA， ADDB，ADDC均为低电平，当 ALE为高电平时，地址所存器输出 IN0上模拟电压送到输入端 Vin (b) ADC0809的 6脚与 AT89S51的 ST（ P3.0） 相连，其为测试控制，意味着当输入一个 2 S宽度电平脉冲时，就开始 A/D 转换。 进行 A/D 转换时，采用查询EOC(P3.2)的标志信号来检测 A/D 转换是否完毕，完毕后 OE(P3.1 脚为 A/D转换数据输出允许控制，当 OE脚为高电平时， A/D转换数据 通过 P0 端口读入 （ c） 由于 ADC0809 内部没有时钟信号，所需信号必须由外界提供，所以在进行转换时要外界提供一个 CLK 信号进行完全的 A/D 转换，这个信号由软件产生， ADC0809的 CLK 是接在 AT89S51单片机的 P3.3端口上，也就是要求从 P3.3输出 CLK信号供 ADC0809 使用 。通常使用频率为 500KHZ。 (d)由于 ADC0809 的参考电压 VREF VCC，所以转换之后的数据要经过据处理 ,用数字基准电压作为标准， 计算基准电压与电源电压之比，并纠正其余的输入值 ，才能输入到 P0 口 ,这样实际显示的电压值为 (D/256*VREF) (2)数据输出： ADC0809进行转换后的数据 ,由数字量输出线 D0D7输出， D7输 出最高位， D0输出最低位，与单片机 AT89S51的 P0口相连。 （ 3） 振荡电路： 本电路对内部时钟有要求，控制 A/D 转化数字处理，所以采用晶体振荡方式，晶振频率为 12MHZ，电容 C1、 C2 取 30PF， AT89S51 的输出频为晶振频的 1/6（ 2MHZ）， ADC0809 的工作频率范围为 10KHZ-1280KHZ。当频率为 500KHZ时，其转速为 128us。 （ 4） 读写端： P3.6 端口接一个 LED（ D1），当外部数据存储器被写时， D1 亮， P3.7 端口接LED（ D2），当外部数据存储器被读时， D2 亮。 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 （ 四）显示 前一章讲到 A/D 转换后的数据送到了单片机的 P0 口，数据如何显示出来，就是本章要设计的内容。 4.1 数码管驱动与电路图 本次显示电路采用的是四位数码显示，由 AT89S51 直接控制，将检测到的温度直接显示到连接 AT89S51 的四个数码管上，由于 AT89S51 具有双工 UART 串行通道 ，可以用之驱动四位数码管 。四位数码管的接口电路是把所有数码管的所有笔划段同名端 A,B,C,D,E,F,G,DP 分别与单片机 AT89S51 的 P0.0-0.7 口相连，而每一个数码管的公共极是各自独立地受 I/O 线控制， S1、 S2、 S3、 S4 就是控制线。单片机向字段输出口送出字形码时，所有的数码管接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管亮，则取决于公共端，而这一端是由 I/O控制的，电路图如下： nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 EA31R S T9X T A L 119X T A L 218P 0. 0 / A D 039P 0. 1 / A D 138P 0. 2 / A D 237P 0. 3 / A D 336P 0. 4 / A D 435P 0. 5 / A D 534P 0. 6 / A D 633P 0. 7 / A D 732P 2. 0 / A 821P 2. 1 / A 922P 2. 2 / A 1 023P 2. 3 / A 1 124P 2. 4 / A 1 225P 2. 5 / A 1 326P 2. 6 / A 1 427P 2. 7 / A 1 528P 1. 78P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 45P 1. 34P 1. 56P 1. 67P 3. 1 / T X D11P 3. 0 / R X D10A L E30P S E N29P 3. 4 / T 014P 3. 5 / T 115P 3. 2 / I N T 012P 3. 3 / I N T 113P 3. 7 / R D17P 3. 6 / W R16GND20V c c40A T 89 S 5 1e1d2dp3c4S28b7S16g5S39f10a11S412L E D 8 4 SQ2P N PQ3P N PQ1P N PQ4P N P1KR1R21KR31KR41K+5图 4-1 4.2 动态扫描方式 （ 1）如何扫描 数码管的显示控制方式 动态扫描显示接口，它是单片机中应用最为广泛的显示方式之一。本设计采用的就是这种扫描方式，动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个数码管的公共端，即各数码管是由脉冲电流导电的（导电时间一般为 1ms） 。当所有数码管依次显示一遍后，软件控制循环，使每位显示分时点亮。本电路中共阳极四位数码管，有四个数码管 1、 2、 3、 4，设计原理是先驱动第一个数码管 1，然后按顺序依次驱动 2、 3、 4，两次显示的时间间隔为 32ms,这时四位数码管的扫描频率 f就是 128HZ,设计定时器的时间周期 Tnts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 1/f 。这样设计数码管的扫描频率和周期就能使数码管 看上去是同时点亮的，察觉不出闪烁现象。 由于数码管具有余辉性及人眼具有视觉暂留效应，所以适当选取循环扫描效率十分重要。 在这个设计中其实扫描频率 128HZ 实际上是 LED 驱动扫描 的最小频率，若低于此频率，则有可能导致 LED 的闪烁。当然， f 也不可能越高越好，扫描的频率太高，相对而言，每一组 LED 的点亮的时间就越短，因此有可能导致 LED 的亮度不够或显示效果不理想等一些问题。当然提高 LED 的驱动电压也可以弥补由此造成的亮度不够的问题。所以在这个显示电路中数码管的最理想的频率是稍大于 128HZ. （ 2）设计特点 本设计显示电路包括 AT89S51驱动芯片和一个四联级式共阳数码管，具有显示醒目、直观的优点。采用动态显示这种方法不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段是并联使用的，因 而大大简化了硬件电路 ,降低成本 ,在电路板上容易实现。动态显示最重要的是解决好亮度和闪烁问题 .但是 由于所有的 LED模块公用了驱动端，因此 LED的驱动不再像静态法一样为每个 LED所独享， 显示驱动的软件设计没有静态显示驱动简单这种方法 ,不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段是并联使用的，因而大大简化了硬件电路。 动态显示最重要的是解决好亮度和闪烁问题 （五） 软件设计 5.1 系统软件 系统软件是整个系统的灵魂，使整个硬件电路活起来。这里简单说明软件编程的过程。首先初始化，设置各 I/O口方向、定时器 工作模式和同步串行口工作模式等，单片机控制温度采集，选择一路通道进行 A/D转换，然后判断是否转换结束，如果结束 P0 就得到数据， CLK 信号对数据进行处理，处理后把数据放到数码管上显示。 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 其主流程图如下 主程序初始化1 、写入通道号显示2 、延时 2 0 u s 后等待 EO C 变高3 、读入采集到的数据并存人数组存人下一个通道通道按键扫描图 5-1 5.2 子 程序 （ 1）温度采集程序 ADC0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号 START启动后开始转换， EOC信号在 START的下降沿 10us后才开始变为无效的低电平。这要求查询程序待 EOC无效后再开始查询，转 换完成后， EOC 输出高电平，再由 OE 变为高电平来输出转换数据，我们在设计程序时可以利用 EOC 信号通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据。 流程图如下： nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 选择 A / D 通道启动 A / D 转换开始选择哪一路温度信号显示存入存储器结束NY转换是否结束计算温度值图 5-2 （ 2）显示子程序 显示电路有四个数码管，采用的是动态扫描，所以必须逐个驱动数码管，显示温度数据，逐个驱动数码管时还要调用延时子程序，因为两个数码管显示相隔时间为 32ms,人眼才无法分辨，所以每个数码管相隔 32ms 点亮，循环点亮四个数码管，四个数码管都点亮了，才结束程序 ，没有完成就要继续获取温度数据 。 程序流程图如下： nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 初使化获取显示数据显示单个 L E D延时完成吗？延时子程序显示的是第四个 L E D 吗？L E D 位选加YYNN结束图 5-3 结束语： 从整个电路来分析，有硬件简单，成本低，调试简单等优点，但还上存在许多不足之处有待改进，比如测量精度不高。 （ 1）本电路有四个集成模块，热敏电阻温度采集电路， ADC0809 转换，AT89S51 控制，四位数码管显示，本电路的个个 I/O 口都得到了运用， 了节省材料 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 （ 2）本电路是采用检测电压的变化来达到测温的目的，但是测量精度不高，只有 5mv/ ,有待改进。 本设计结合 传感器和单片机技术，利用热敏电阻和单片机 ADC0809、AT89S51，还有数码管，完成了热敏电阻测温设计。本设计运用的知识在电子领域都应用非常广泛，随着电子技术的飞速发展，传感器和单片机技术将越来越成熟，新的电子产品将层出不穷， 更 向更智能化的方向发展 ， 电子领域明天将会更明媚。 附页 :硬件 电路 nts九江学院电子工程信息（本科）毕业论文 R236kD1LEDR336kR4200KR5200kR6270kR7270kRtN T C 103D+5R P 133KR P 2270KAO P A M PR11.2KDI N 31I N 228I N 42I N 127I N 53I N 026I N 64A25I N 75B24SI6C23E O C7A L E22D38D721OE9D620C L K10D519V C C11D418V R E F +12D017GND13V R E F -16D114D215A D C 0809C110 FR P 34.7KR810KS1R E S TD2LEDR 1
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