基于热敏电阻的数字温度计

电子设计应用软件训练总结报告 0 电子信息工程学院电子设计应用软件训练任务电子信息工程学院电子设计应用软件训练任务 训练任务训练任务 1 熟练掌握 熟练掌握 PROTEUS 软件的使用 软件的使用 2 按照设计要求绘制电路原理图 按照设计要求绘制电路原理图 3 能够按要求对所设计的电路进行仿真 能够按要求对所设计的电路进行仿真 基本要求及说明基本要求及说明 1 按照设计要求自行定义电路图纸尺寸 按照设计要求自行定义电路图纸尺寸 2 设计任务如下 设计任务如下 基于热敏电阻的数字温度计基于热敏电阻的数字温度计 设设计计要要求求 使用热敏电阻类的温度传感器件利用其感温效应 将随被测温度变化的电 压或电流用单片机采集下来 将被测温度在显示器上显示出来 测量温度范围 50 110 精度误差小于 0 5 LED 数码直读显示 本题目使用铂热电阻 PT100 其阻值会随着温度的变化而改变 PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧姆 在 100 时它的阻值约为 138 5 欧 姆 厂家提供有 PT100 在各温度下电阻值值的分度表 在此可以近似取电阻 变化率为 0 385 向 PT100 输入稳恒电流 再通过 A D 转换后测 PT100 两端电压 即得到 PT100 的电阻值 进而算出当前的温度值 采用 2 55mA 的电流源对 PT100 进行供电 然后用运算放大器 LM324 搭 建的同相放大电路将其电压信号放大 10 倍后输入到 AD0804 中 利用电阻变 化率 0 385 的特性 计算出当前温度值 3 按照设计任务在 按照设计任务在 Proteus 6 Professional 中绘制电路原理图 中绘制电路原理图 4 根据设计任务的要求编写程序 在 根据设计任务的要求编写程序 在 ProteusProteus 下进行仿真 实现相应功能 下进行仿真 实现相应功能 按照要求撰写总结报告按照要求撰写总结报告 成绩 成绩 电子设计应用软件训练总结报告 1 1 任务说明任务说明 使用热敏电阻类的温度传感器件利用其感温效应 将随被测温度变化的 电压或电流用单片机采集下来 将被测温度在显示器上显示出来 测量温度范围 50 110 精度误差小于 0 5 LED 数码直读显示 本题目使用铂热电阻 PT100 其阻值会随着温度的变化而改变 PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧姆 在 100 时它的阻值约为 138 5 欧 姆 厂家提供有 PT100 在各温度下电阻值值的分度表 在此可以近似取电阻 变化率为 0 385 向 PT100 输入稳恒电流 再通过 A D 转换后测 PT100 两端电压 即得到 PT100 的电阻值 进而算出当前的温度值 采用 2 55mA 的电流源对 PT100 进行供电 然后用运算放大器 LM324 搭 建的同相放大电路将其电压信号放大 10 倍后输入到 AD0804 中 利用电阻变 化率 0 385 的特性 计算出当前温度值 二 元器件简介二 元器件简介 1 AT89C51 简介 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器的低电压 高性能 CMOS 8 位微处 理器 俗称单片机 AT89C51 提供以下标准功能 4k 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级 中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 其引脚图如图一 所示 图一 AT89C51 引脚图 电子设计应用软件训练总结报告 2 VCC 电源 GND 地 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱 动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外 部程序和数据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外 部计数输入 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数 据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数 据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接 收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用 时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL P3 口亦作为 AT89C51 特殊功能 第二功能 使用 如表一所示 表一 AT89C51 引脚号第二功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT0 外部中断 0 P3 4 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 1 外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机 复位 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 电子设计应用软件训练总结报告 3 8 位地址的输出脉冲 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反 向放大器配置为片内振荡器时 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 2 ADC0804 ADC0804 是属于连续渐进式 Successive Approximation Method 的 A D 转换器 这类型的 A D 转换器除了转换速度快 几十至几百 us 分辨率高 外 还有价钱便宜的优点 普遍被应用于微电脑的接口设计上 其引脚图如图 二所示 图二 ADC0804 引脚图 芯片参数 工作电压 5V 即 VCC 5V 模拟输入电压范围 0 5V 即 0 Vin 5V 分辨率 8 位 即分辨率为 1 2 1 256 转换值介于 0 255 之间 转换时间 100us fCK 640KHz 时 转换误差 1LSB 参考电压 2 5V 即 Vref 2 5V 各个管脚的作用 D0 D7 数字量输出端 输出结果为八位二进制结果 CLK 为芯片工作提供工作脉冲 时钟电路如图所示 时钟频率计算方式是 FCK 1 1 1 R C CS 片选信号 WR 写信号输入端 RD 读信号输入端 INTR 转换完毕中断提供端 其他管脚连接如图 是供电和提供参考电压的管脚输入端 3 铂热电阻 PT100 铂热电阻 PT100 它的阻值跟温度的变化成正比 PT100 的阻值与温度变化 关系为 当 PT100 温度为 0 时它的阻值为 100 欧姆 在 100 时它的阻值约为 138 5 欧姆 它的工业原理 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆 电子设计应用软件训练总结报告 4 它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的 在高温下其物理 化学性质都非常 稳定 因此它具有精度高 稳定性好 性能可靠的特点 它的电阻 温度关系 的线性度非常好 在 200 650 温度范围内线性度已经非常接近直线 电阻与 温度的关系 R T 100 4 LM324 LM324 系列器件带有差动输入的四运算放大器 它采用 14 脚双列直插塑料 封装 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器 除电源共用外 四组运 放相互独立 它们有一些显著优点 该四放大器可以工作在低到 3 0 伏或者高 到 32 伏的电源下 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一 引脚图如图三 所示 图三 LM324 引脚图 三 方案论证三 方案论证 本次设计以 AT89C51 和 ADC0804 为核心 利用热敏电阻的热敏效应 把 温度变化转换成阻值变化 进而电压变化 把转换过来的模拟电压输送给模 数转换电路 ADC0804 将模拟量转换成数字量 再将数字量输送给单片机 单片机进行数据处理 处理的结果是 使输出的数据给数码管 数码管能够 显示当前温度 其各个元器件的主要职能如下 铂热电阻 PT100 温度传感器 将非直接测量的温度转换成可测量可用 的模拟电压电压信号 LM324 由于测温电路输出的电压信号很微小 如果直接输送给模数转换 器将会造成很大的误差 LM324 主要用来放大测温电路的输出电压 使其输 出的电压能够进行模数转换 ADC0804 模数转换器 将 LM324 输送来的模拟电压转换成数字量 并 输送给单片机进行数据处理 AT89C51 单片机 对 ADC0804 输送过来的数字信号 进行数据处理 处 理结果送给数码管 使其能够显示当前的温度 另外 他还控制着ADC0804 模数转换器的工作状态如控制着模数转换器的选通 开启 转换和完成输出 等 电子设计应用软件训练总结报告 5 数码管 显示当前的温度值 其设计思路如图四所示 图四 设计方框图 四 电路设计四 电路设计 1 PT100 测温电路 铂热电阻 PT100 采用恒流源测量电路 其测量电路如图五所示 图五 PT100 测温电路 PT100 温度与电阻值的对应关系如表二所示 温度 50 30 1001020 阻值 80 3188 2296 09100 00103 90107 79 温度 30507090100110 阻值 111 67119 40130 90134 71138 51142 29 表二 PT100 温度与电阻值的对应关系 ATC80C51 数据处理 ADC0804 模数转换 电路 LM324 放大电路 数码管 显示 PT100 温度 传感器 电子设计应用软件训练总结报告 6 当温度的变化范围是 50 110 则电阻由 80 31 变化到 142 29 根据 U IR 可得 则电压变化范围为 0 2048v 0 3628v 电压变化为 0 1580v 2 ADC0804 模数转换器的连接 CS 芯片片选信号 低电平有效 高电平时芯片不工作 RD 启动 ADC0804 进行 ADC 采样 该信号低电平有效 即信号由低电平变成高电平时 触发一次 ADC 转换 WR 低电平有效 即 0 时 DAC0804 把转换完成的数 据加载到 DB 口 可以通过数据端口 DB0 DB7 读出本次的采样结果 INTR 转换完成输出端 输出低电平 CLK IN 和 CLK R 外接 RC 振荡电路产生模数 转换器所需的时钟信号 VREF 2 参考电压接入引脚 该引脚可外接电压也可 悬空 若外接电压 则 ADC 的参考电压为该外界电压的两倍 如不外接 则 VREF与 Vcc 共用电源电压 此时 ADC 的参考电压即为电源电压 Vcc 的值 其 连接电路如图六所示 图六 ADC0804 的电路连接 3 AT89C51 单片机的连接电路 单片机作为控制中心和数据处理中心 他连接着 ADC0804 模数转换器和 数码管显示电路 其中 P0 0 P0 3 分别连接四个数码管 作为数码管的选通控 制端 P3 的八个输出端口作为数码管的数据输入端 P2 5 P2 7 四个端口连接 ADC0804 控制着模数转换器的选通 转换 输出等等 P1 口连接着 ADC0804 的八位输出端口 其他端口的功能 RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期 高电平将使单片机复位 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序 电子设计应用软件训练总结报告 7 存储器时 锁存低 8 位地址的输出脉冲 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的 输入和输出 该反向放大器配置为片内振荡器时 石晶振荡和陶瓷振荡均可采 用 其连接电路如图七所示 图七 ATC89C51 的连接电路 五 五 PROTEUSPROTEUS 设计设计 1 创建新工程 双击Proteus 8 Professional图标 点击 File 文件 中 New Project 项 新 建一个工程项目 在 Name 项输入项目名 在 Path 项中选择保存路径 点击 New project 再点击 Next 设置完成 如图八所示 电子设计应用软件训练总结报告 8 图八 创建新工程 2 设置原理图 在原理图设计 Schematic design 对话框中选择创建原理图 Create a Schematic from the selected template 如果不需要绘制原理图 可直接选 择 Do not create a schematic 在此选择创建原理图 原理图大小可以根据 需要选择 本次选择默认 DEFAULT 如图九所示 图九 创建原理图 4 创建 PCB 设计 本次设计不需要 PCB 板 可以直接选择 Do not create a PCB layout 如果需要可以选择 Create a PCB layout from the selected template 如 图十所示 图十 创建 PCB 设计 5 选择芯片 电子设计应用软件训练总结报告 9 在 Create Firmware Project 界面中 设置 Family 系列 8051 Contoller 控制器 AT89C51 Compiler 编译器 ASEM 51 也就是在 此设计外部代码编译器 如果不需要进行仿真 则可直接选择 No Firmware Project 即可 按下 Next 设置完成 如图十一所示 图十一 选择芯片 6 所有设置完之后 进入 Protues 原理图绘制界面 中间大部分网格区域是原 理图绘制区 左侧为工具栏 各种元器件 各种仪表等等 可以在此工具栏中 查找 原理图绘制界面如图十二所示 图十二 原理图绘制界面 7 添加元器件 点击工具栏中的 P 按钮 将会弹出元器件搜索界面 Pick Divce 在 Keyword 一栏中输入将要查找的元器件的关键词 在搜索界面将会出现有关的 元器件 选择想要的元器件 按下 OK 则添加成功 如图十三所示 电子设计应用软件训练总结报告 10 图十三 添加元器件 8 布局布线 选中元器件 将元器件放进原理图绘制界面 双击放下 所有元器件都放 进之后 并进行布局布线 原理图绘制结果如图十四所示 图十四 电路原理图 六 程序流程图六 程序流程图 软件设计采用 C 语言编程 运用模块化程序设计思想 对整个程序分为四 个模块 分别是初始化单片机 定时器 显示器模块 获得 AD 转换数据模块 数据处理模块和显示模块 对不同功能模块的程序进行分别编程 其流程图如 图十五所示 开始 调用初始化模块子程序 初始化 AT89C51 初始化显示器 定时器 T0 赋初值 调用中断子程序中获得的 A D 转换后的数 据 调用数据处理子程序 调用显示子程序 结束 电子设计应用软件训练总结报告 11 图十五 程序流程图 在初始化 AT89C51 初始化显示器 定时器 T0 时 首先进行函数说明和管 脚定义 例如定义 P1 口作为 AD 的数据口 定义 P2 4 P2 5 P2 6 和 P2 7 口 作为 AD 的控制端口等等 初始化话程序完成后 将是数据采集装换程序 其流 程图如图十六所示 否 是 图十六 AD 数据采集转换 AD 转换后的数字信号保存在了单片机 单片机将对保存的数字信号进行数 据处理 数据处理的结果输送给数码管 使数码管显示当前温度值 其流程图 如图十七所示 Y N Y N 图十七 数据处理流程图 七 生成七 生成 Hex 文件文件 启动 Keil 软件 编译源文件 并对源文件进行编译 如果有错误 从错误 启动 AD 转换器 数据转换 是否转换完成 将数字信号保存到单片 机 从存储单元取数 据 数据是否小于 204 数据是否小于 79 T 8 124 ad data 655 742 T 7 990 ad data 628 491 T 614 422 7 811 ad data 数码管显示 电子设计应用软件训练总结报告 12 的第一条开始改正 直到编译没有错误 编译完成后 会产生 Hex 文件 其源 文件编译如图十八所示 图十八 源文件编译 八 八 ProteusProteus 仿真仿真 1 导入 Hex 文件 双击原理图中的单片机 将会弹出编辑元器件对话框 在对话框中的 Program file 中导入生成的 Hex 文件 点击 OK 导入成功 如图十九所示 图十九 导入 Hex 文件 2 电路仿真 点击绘制原理图界面左下角中的小三角仿真开始按钮 电路开始工作 数 码管显示示数 改动 PT100 的温度 数码管的温度也随之改变 并且误差在 0 5 符合设计要求 仿真结果如图二十所示 电子设计应用软件训练总结报告 13 图二十 仿真结果 九 总结九 总结 本次课设我学会了 Protues 软件的基本应用 首先创建新工程 创建原理 图 选择芯片 添加元器件 布局连线 向单片机导入 Hex 文件 最后对电路 进行仿真 除此之外 通过这次课设 我懂得了数字温度计的工作原理 了解 了各个部分电路的职能作用 同时也加深了我对单片机 数电和模电的学习 同时我也发现了自己的不足 在软件编程发面存在一些不足的知识 以后要加 强这方面的学习 十 参考文献十 参考文献 1 张毅刚 刘杰 MCS 51 单片机原理及应用 M 哈尔滨工艺大学出版社 2004 年 2 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 M 电子工业出版社 2012 年 3 童师白 模拟电子技术基础 M 高等教育出版社 2006 年 4 阎石 数字电子技术基础 M 高等教育出版社 2006 年 5 张靖武 周灵杉 单片机系统的 PROTUSE 设计与仿真 M 电子工业出版社 2007 年 6 张毅刚 基于 Proteus 的单片机课程的基础实验与课程设计 M 人民邮电出版社 2012 年 7 周润景 张丽娜 基于 PROTUSE 的电路及单片机系统设计与仿真 M 北京航空航 天大学出版社 2006 年 电子设计应用软件训练总结报告 14 附录附录 I I 仿真电路图仿真电路图 电子设计应用软件训练总结报告 15 附录附录 IIII 程序程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define ad0 7 P1 sbit cs P2 4 sbit rd P2 7 sbit wr P2 6 sbit intr P2 5 uchar i uchar led 11 0 x3F 0 0 x06 1 0 x5B 2 0 x4F 3 0 x66 4 0 x6D 5 0 x7D 6 0 x07 7 0 x7F 8 0 x6F 9 0 x40 uchar dat AD 4 0 void start ad void 启动 AD cs 0 wr 0 nop wr 1 while int