基于热敏电阻的数字温度计设计

目 录 1 课程设计的目的 1 2 课程设计的任务和要求 1 3 设计方案与论证 1 4 电路设计 2 4 1 温度测量电路 3 4 2 单片机最小系统 6 4 3 LED 数码显示电路 8 5 系统软件设计 9 6 系统调试 9 7 总结 11 参考文献 13 附录 1 总体电路原理图 14 附录 2 元器件清单 15 附录 3 实物图 16 附录 4 源程序 17 0 1 课程设计的目的 1 掌握单片机原理及应用课程所学的理论知识 2 了解使用单片机设计的基本思想和方法 学会科学分析和解 决问题 3 学习单片机仿真 调试 测试 故障查找和排除的方法 技 巧 4 培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度 5 锻炼自己的动手动脑能力 以提高理论联系实际的能力 2 课程设计的任务和要求 1 采用 LED 数码管显示温度 2 测量温度范围为 10 110 3 测量精度误差小于 0 5 3 设计方案与论证 方案一 本方案主要是在温度检测部分利用了一款新型的温度检测 芯片 DS18B20 这个芯片大大简化了温度检测模块的设计 它无需 A D 转换 可直接将测得的温度值以二进制形式输出 该方案的原理框图如 图 3 1 所示 DS18B20 是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件 它 是单片结构 无需外加 A D 即可输出数字量 通讯采用单线制 同时 该通讯线还可兼作电源线 即具有寄生电源模式 它具有体积小 精度 易保证 无需标定等特点 特别适合与单片机合用构成智能温度检测及 控 制系统 单片机 最小系统 数码 显示 温度传感器 DS18B20 1 图 3 1 方案一系统框图 方案二 温度检测部分采用传统的热敏电阻 热敏电阻的阻值随环 境温度变化而变化 将热敏电阻与固定电阻串联后分压 经 A D 转换 器将其转换为单片机可识别得二进制数字量 然后根据程序查表得到温 度值 单片机主要控制 LED 显示器显示正确的温度值 并根据设置的 上下限控制继电器动作 从而控制外部负载 该方案的原理框图如图 3 2 所示 热敏电阻A D 转换器 单片机 最小系 统 数码显示 图 3 2 方案二系统框图 方案一与方案二的主要区别在温度检测部分 方案一主要利用 DS18B20 这块芯片进行温度检测 并将采集到的模拟量转换为单片机 识别的二进制数 方案二是采用热敏电阻检测温度 然后利用 A D 转 换器将温度模拟量转换为二进制数供单片机处理 它最大的特点就是它 能检测的温度范围很大 热敏电阻的性能决定了整个设计的所能检测的 温度范围 方案一的温度检测范围已经由系统中的 DS18B20 的特性所 决定 它能检测的温度范围为 55 到 120 其温度检测范围很宽 已 能足够满足一般测量需要 方案一是利用现有的智能温度传感芯片 DS18B20 无需 A D 转换 直接输出数字量 从整体上来看方案二比方 案一更具有实际的锻炼意义 所以本设计采用方案二 4 电路设计 系统硬件电路主要包括 3 个部分 1 温度测量电路 2 单片机最小系统 3 LED 数码显示 2 电路 4 1 温度测量电路 温度测量电路主要由 ADC0809 TL431 热敏电阻和电阻组成 TL431 是一个由良好的热稳性能的三端可调分流基准电压源 它的 输出电压用两个电阻就可以任意设置到 2 5V 到 36V 范围内的任何值 该器件的典型动态阻抗为 0 2 在很多应用中可以用它代替齐纳二极 管 例如数字电压表 运放电路 可调电压源 开关电源等等 在此电 路中 它用于给 ADC0809 和热敏电阻提供可调电压 电路中的热敏电阻作为测温元件 它是利用感温元件 导体 的电 阻随温度变化的性质 将电阻的变化值用显示仪表反映出来 从而达到 测温的目的 导体测温元件 它与热电阻的温阻特性刚好相反 即有很 大负温度系数 也就是说温度升高时 其阻值降低 它们的关系为 4 1 0 0 11 B TT TT RR e 式 4 1 中 RT 在温度 T K 时的电阻值 RT0 在温度 T0 K 时的电阻值 E 自然对数的底数 B 与热敏电阻特性有关的系数 T 被测温度 T0与热敏电阻有关的温度参数 根据这一公式 如果能测得热敏电阻两端的电压 并知道参数 T0 和 B 则可以计算出热敏电阻的环境温度 即 被测温度 就这样就把 电阻随温度的变化关系转变为电压随温度变化的关系 系统中的 A D 转换电路 负责将的温度测量电路中输出的模拟电 压信号转化为可供单片机识别的数字信号 主要采用 ADC0809 串行模 数转换器 使用开关电容逐次逼近技术完成 A D 转换过程 由于是串 3 行输入结构 能够节省 51 系列单片机 I O 资源 且价格适中 分辨率 较高 因此在仪器仪表中有较为广泛的应用 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 其管脚图如图 4 1 所示 ST ST EOC OE P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 P1 3 P1 2 P1 1 P1 0 OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF 12 VREF 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U3 ADC0809 图 4 1 ADC0809 引脚图 引脚功能如下 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 OUT1 OUT8 8 位数字量输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输 入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动脉冲输入端 输入一个正脉冲 至少 100ns 宽 使其启动 脉冲上升沿使 0809 复位 下降沿启动 A D 转换 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出 一个高电平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLOCK 时钟脉冲输入端 4 REF REF 基准电压 VCC 电源 单一 5V GND 地 ADC0809 工作过程 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存 入地址锁存器中 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变 为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可 用作中断申请 当 OE 输入高电平时 输出三态门打开 转换结果的数 字量输出到数据总线上 转换数据的传送 A D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行 处理 数据传送的关键问题是如何确认 A D 转换的完成 因为只有确 认完成后 才能进行传送 为此可采用下述三种方式 1 定时传送方式 对于一种 A D 转换器来说 转换时间作为一项技术指标是已知的 和固定的 例如 ADC0809 转换时间为 128 s 相当于 6MHz 的 MCS 51 单片机共 64 个机器周期 可据此设计一个延时子程序 A D 转换启动 后即调用此子程序 延迟时间一到 转换肯定已 经完成了 接着就可 进行数据传送 2 查询方式 A D 转换芯片有表明转换完成的状态信号 例如 ADC0809 的 EOC 端 因此可以用查询方式 测试 EOC 的状态 即可确认转换是否完成 并接着进行数据传送 3 中断方式 把表明转换完成的状态信号 EOC 作为中断请求信号 以中断方 式进行数据传送 5 不管使用上述哪种方式 只要一旦确定转换完成 即可通过指令进 行数据传送 首先 送出出口地址 并且在信号有效时 即 OE 信号有 效 把转换数据送到数据总线 供单片机接收 利用热敏电阻和电阻串联 用 TL431 制作 4V 电压用于 A D 的参考 电压和热敏电阻的供电 R7 是分压电阻 R9 是可调电位器 用于调节 TL431 的输出电压 当温度升高时 R8 热敏电阻的阻值变小 串联的 30k 的电阻两端的电压就会升高 ADC0809 采集到电压信号经过转换后 将数字量传输给单片机 温度测量电路图如图 4 2 所示 图 4 2 温度测量电路 4 2 单片机最小系统 STC89C51 是一种低功耗 高性能的 CMOS8 位微控制器 具有 4K 可编程 Flash 其引脚如图 4 3 所示 6 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P37 RD 17 P36WR 16 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T 0 14 P35 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 P31 T XD 11 P30 RX D 10 GND 20 VCC 40 U1 ST C89C52 图 4 3 STC89C51 的引脚图 单片机的最小系统由时钟电路和复位电路组成 时钟电路 此系统的时钟电路设计是采用的内部方式 即利用芯片 内部的振荡电路 STC89C51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相 放大器 引脚 X1 和 X2 分别是此放大器的输入端和输出端 这个放大 器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器 外接晶 体谐振器以及电容 C2 和 C3 构成并联谐振电路 接在放大器的反馈回 路中 时钟电路图如图 4 4 所示 XTAL2 18 XTAL1 19 U1 X1 CRYSTALC2 22pF C3 22pF 图 4 4 时钟电路 复位电路 STC89C51 的复位是由外部的复位电路来实现的 片内 7 复位电路是复位引脚 RST 通过一个施密特触发器与复位电路相连 施 密特触发器用来抑制噪声 它的输出在每个机器周期的 S5P2 由复位 电路采样一次 复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式 此电路系统采用的是上电与按钮复位电路 复位电路图如图 4 5 所示 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 R9 10k R10 10k C1 100u 图 4 5 复位电路 4 3 LED 数码显示电路 该电路选用的数码管是四位八段共阳极的 数码管的扫描方式分为 静态扫描和动态扫描两种 由于单片机资源有限 这里采用的是动态扫 描的方法 在该接法中 用到单片机的 P0 和 P1 口 其中 P0 作为输出 口 电路中利用三极管驱动数码管 用电阻起到限流作用 使得数 码管亮度适中 其电路图如图 4 6 所示 8 ST OE EOC P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 U5 NOT U6 NOT U7 NOT U8 NOT 图 4 6 LED 数码显示电路图 5 系统软件设计 系统程序主要包括初始化 温度采集 数据处理和显示温度四部分 该电路设计的程序流程图如图 5 1 所示 开始 初始化 采集温度 数据处理 显示温度 图 5 1 程序流程图 温度采集和数据处理部分主要由热敏电阻 数模转换器 ADC0809 单片机及四位共阳数码管组成 通过测得热敏电阻阻值 利 9 用热敏电阻阻值与电压的对应关系 将热敏电阻阻值转化为输出电压 ADC0809 采集输出的电压信号 并将采集的电压信号转换为数字信号 传送给单片机 由单片机 P0 口输出 最后由四位共阳数码管采用动态 扫描方式显示温度 6 系统调试 在整个调试过程中首先应注意各个模块的供电问题 其中单片机和 A D 等芯片使用 5V 电压供电 由热敏电阻构成的测温部分和 A D 的参 考电压输入端则使用 4V 电压供电 表 6 1 为系统的调试数据 表 6 1 系统调试数据 调试结果如图 6 1 图 6 2 图 6 3 所示 图 6 1 调试结果一 热敏电阻输出电压理论测量温度实际测量温度 3 23V 6 7 3 67V 3 3 3 8V18 18 10 图 6 2 调试结果二 图 6 3 调试结果三 7 总结 经过一周的课程设计 通过对热敏电阻的数字温度计系统的设计过 程及计算得出如下结论 设计电路关键在于对设计要求的理解分析以及对基本电路相关知识 11 的熟练掌握 设计电路时 将总体的功能分成若干个部分来实现 是简 化电路设计思路的很好方法 且搞清各个模块的功能与实现要求操作的 具体方法 对电路故障的检查也是很有帮助 通过这次设计 学到了很多东西 如查找资料 设计比较 从各种 图中提取所需 焊接时学到了好多 如如何在一定大小的板子上正确摆 放好芯片 如何布线等等 调试时也是 知道了用工具如万用表来检查 修复故障 本设计对有限温度范围内的温度测量具有较高的精度 在这 过程中 感谢老师和同学对我们的帮助 程序经过无数次地调试 实现 了测量温度显示 在做实物的过程中 我们在焊接时还是谨小慎微 但 是由于焊接时引脚短路的问题导致实物没出来现象 学会了用 Proteus 软件的应用 在以后的学习中更加地完善自己 努力提升自己 12 参考文献 1 杨素行 模拟电子技术基础 第 3 版 北京 高等教育出版社 2006 2 阎石 数字电子技术基础 第 5 版 北京 高等教育出版社 2006 3 赵茂泰 智能仪器原理及应用 第 3 版 北京 电子工业出版社 2009 4 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 北京 电子工业出版社 2006 5 张忠梅 单片机的 C 语言应用程序设计 第 4 版 北京 北京航空航天大学出 版社 2006 6 李朝青 单片机原理及接口技术 第 3 版 北京 北京航空航天大学出版社 2006 7 孙有才 新型 AT89S51 系列单片机及其应用 北京 清华大学出版社 2001 8 姚福安 电子电路设计与实践 济南 山东科学技术出版社 2009 9 李青 电路与电子技术基础 杭州 浙江科学技术出版社 2004 13 附录 1 总体电路原理图 ST OE ST ST EOC OE EOC P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 P1 3 P1 2 P1 1 P1 0 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 STC89C51 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF 12 VREF 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U3 ADC0809 1 800K 800k U3 CLOCK R1 30k 3 2 1 U4 TL431 62 R10 10k R7 470 U5 NOT U6 NOT U7 NOT U8 NOT 14 附录 2 元器件清单 序号名称型号规格数量 1单片机STC89C511 2模数转换器ADC08091 3数码管4 位共阳1 4三极管 90124 5晶振12MHZ1 6排阻10K1 2201 2 2K4 10K1 7 电阻 30K1 30pF2 8 瓷片电容 100nF1 9电解电容10uF1 10电位器10K1 11 可调分流基准电 压源 TL4311 12导线若干 13焊锡若干 15 附录 3 实物图 16 附录 4 源程序 程序头函数 include 宏定义 define uint unsigned int define uchar unsigned char define Data ADC0809 P1 管脚声明 ADC0809 sbit ST P3 3 sbit EOC P3 4 sbit OE P3 2 显示数组0 9 H L uchar Data 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x76 0 x38 0 x40 17 uchar code Data T AD 数值对应的温度 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 xff 0 11 此范围内为无 效值 读到的数据为 7 0 x89 0 x88 0 x87 0 x86 0 x85 0 x84 0 x83 0 x82 0 x81 12 20 此 范围内为负温度值 9 1 0 1 2 3 4 5 6 6 7 8 21 30 以下为 正温度 0 111 9 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 18 sbit Wei1 P2 7 sbit Wei2 P2 6 sbit Wei3 P2 5 sbit Wei4 P2 4 函数声明 void Display uchar Data uint temp temp1 uchar p ADC0809 读取信息 uchar ADC0809 uchar temp 0 x00 初始化高阻太 OE 0 转化初始化 ST 0 开始转换 ST 1 ST 0 外部中断等待 AD 转