热电阻温度计的设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计热电阻温度计的设计Design of the Thermal Resistance Thermometers 2012 届 电气工程 系专 业 学 号 学生姓名 指导教师 孙克军 完成日期 2012年 5月15日毕业设计成绩单学生姓名 学号 班级 专 业自动化毕业设计题目热电阻温度计的设计指导教师姓名孙克军指导教师职称副教授评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩： 院长（主任）签字： 年 月 日毕业设计任务书题目热电阻温度计的设计学生姓名 学号 班级 专业自动化承担指导任务单位电气工程系导师姓名孙克军导师职称副教授一、主要内容单片机MC-8051系列实现温度计功能，驱动LED屏幕显示结果。二、基本要求1单片机完成温度计功能，可显示温度数值。2使用温度传感器和A/D变换器采集温度信息，采用铜热电阻传感器作为测量温度的主要器件。3可以任意设定温度的上下限，能够实现报警功能。4C语言或者汇编语言编程，实现相关逻辑控制。5电路原理图设计。6提出系统设计框图，提出相应的解决方案。7需单片机和芯片，开发电路板以相关传感器，价格200元。三、主要技术指标1电压直流5V，工作电流小于500mA。2完成主要功能。3电路原理图。4论文正文不少于1.5万字，查阅文献资料不少于10篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。四、应收集的资料及参考文献1汇编语言程序设计 刘卫国 中国铁道出版社2传感器应用电路400例 王煜东 中国电力出版社3单片微型计算机原理及接口技术 高峰 科学出版社五、进度计划1第1周-第2周：收集材料，完成开题报告；2第3周-第4周：分析、确定方案；3第5周-第7周：设计系统、电路实现、编写单片机程序；4第8周：中期检查；5第9周-第12周：调试、撰写论文；6第13周-第14周：论文审核定稿；7第15周-第16：答辩。教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目热电阻温度计的设计学生姓名 学号 班 级 专业 自动化1、 课题研究背景 在人们的日常生活中，温度扮演着极其重要的角色。以往传统的用酒精或者水银制作的温度计不但测量时间长、容易破损，而且读数非常不方便，因此一种新型的数字式温度计应运而生。这种温度计不仅能够实现快速准确的对温度进行测量，而且还能够通过显示屏以数字的形式显示出来，新型的温度计具备线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，能够在冰箱、蔬菜大棚、仓库等所有需要考虑温度因素的环境中得到很好的应用。2、 国内外研究现状自从温度计问世以来，经历了两千年的发展，最初的温度计是由酒精和玻璃管、水银和玻璃管制作而成的。随着传感器在温度计中的应用，温度计已经从原始的玻璃管结构发展到了现在的以传感器以及单片机为主要组成部分。传感器的精度灵敏度决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等，现在比较常用的有热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。近年来，数字温度计正处于传统型向新型温度计转型的发展阶段。新型温度计的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。3、 论文进行的主要工作首先选择合适的传感器和单片机器件，再使用温度传感器和A/D变换器采集温度信息，再用C语言编程，实现相关逻辑控制，最后利用软件绘制出电路原理图设计。4、 采用的方法、手段通过对温度计整体结构的设计，选择出铜热电阻和单片机MC-8051作为温度计测量和计算的器件。然后设计用铜热电阻来收集温度信息，经过A/D变换器后输入到已经写入C语言程序的单片机MC-8051内，能够把测量结果由LED显示，同时用protel99se软件绘制出电路原理图，方便实物电路板的焊制。5、 预期达到的结果焊制出电路板后，把温度计开关打开，将其放到某一温度环境后，温度计的LED显示器能够快速准确的显示该环境的温度，并且能够实现键盘调节温度报警的上下限，当超过设定的上下限温度后能够实现蜂鸣器报警功能。指导教师签字时间 年 月 日摘要温度是最基本的一个物理量，在日常生活中扮演着很重要的角色。温度计作为测量温度的工具，它的准确性和实用性显得尤为重要。而温度计代替玻璃液体温度计是科学技术发展的必然规律。为了满足温度计测量精确、价格低廉的要求，设计了本系统。本系统采用单片机AT89C52作为控制的核心，实现温度计的基本测量和报警功能。数据采集部分由铜热电阻、差分比例运算电路、A/D转换电路PCF8591组成。显示部分用LED8位数码管显示。该温度计的工作原理是用铜热电阻将温度的变化转换为电压的变化，经由差分比例运算电路放大，经过A/D转换，送入单片机AT89C52中处理，由单个的键盘来调节温度计报警的上下限，当超过设定的上下限后能够实现报警功能，软件采用C语言实现。经测试，本系统具有测量精确，操作简单，方便使用的特点。主要功能有显示温度和在超过设定温度值之外报警，具有一定的实用功能。关键词：铜热电阻AT89C52A/D转换数码管Abstract The temperature is a the most fundamental physical quantities, in our daily life plays a very important role. The thermometer as measuring temperature tools, its accuracy and practical is particularly important. While digital thermometer instead of glass liquid thermometer is an inexorable law governing of the science and technology development. In order to meet the digital thermometer measurement precision, the price is low, the design of this system. The system uses the AT89C52 single chip microcomputer as control core, implemented digital thermometer the basic control function. Data acquisition in part by the copper thermal resistance sensor, differential ratio operation circuit, A/D conversion circuit PCF8591 composition. With a digital display section LED 8 tube display. The digital thermometer principle of work is made of copper thermal resistance sensor will the change of the temperature conversion for voltage change, operation circuit by difference proportion amplification, after A/D conversion, into the single chip microcomputer in the AT89C52 processing, by single keyboard to adjust the thermometer alarm the upper and lower limits using C language program of design requirements, simple operation, convenient use. Main functions are display temperature and temperature alarm set in more than outside. It has certain practical function. Keywords：Copper thermal resistanceA/D conversionAT89C52LED 目 录第1章 绪论11.1课题的选题背景11.2国内外发展现状11.3本论文主要研究内容21.3.1主要内容21.3.2基本要求21.3.3主要技术指标2第2章 热电阻温度计总系统设计32.1热电阻温度计整体设计方案32.2各个主要模块电路器件的选择32.3单片机控制程序的选择5第3章 热电阻温度计硬件设计63.1温度计硬件设计总方案63.2直流电桥电路63.2.1热电阻63.2.2直流电桥电路的设计73.3放大电路73.4A/D转换103.5单片机103.6报警显示电路123.6.1数码管显示电路设计123.6.2声音报警电路设计133.7电源电路的设计143.8系统设计原理图14第4章 热电阻温度计软件设计154.1主程序的流程图154.2显示子程序流程图174.3PCF8591A/D转换程序设计174.4通信协议I2C总线18第5章 设计误差分析205.1软件方面205.2硬件方面20第6章 结论与展望216.1结论216.2 展望21参考文献23致谢24附录25附录A外文翻译25附录B设计电路图37附录C程序38- I -石家庄铁道大学四方学院毕业设计第1章 绪论1.1课题的选题背景测温技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通等各个领域，与人民的生活紧密相连。温度计是最新型的一种温度计，温度计是国计民生、国防建设、科学研究不可缺少的计量设备，温度测量产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。测温设备不仅是提供温度数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和人们日常生活的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和方便了人们的日常生活，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源等多方面的作用。测温装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，测温技术的研究各国都非常重视1。在人们的日常生活中，温度扮演着极其重要的角色。以往传统的用酒精或者水银制作的温度计不单测量时间长、容易破损，而且读数非常不方便，因此一种新型的数字式温度计应运而生。这种温度计不仅能够实现快速准确的对温度进行测量，而且还能够通过数码管以数字的形式显示出来，新型的温度计具备线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，能够在冰箱、蔬菜大棚、仓库等所有需要考虑温度因素的环境中得到很好的应用。1.2国内外发展现状温度是表征物体冷热程度的物理量, 是国际单位制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关系。随着科学技术水平的不断提高, 温度测量技术也得到了不断的发展。自从温度计问世以来，经历了两千年的发展，最初的温度计是由酒精和玻璃管、水银和玻璃管制作而成的。随着传感器在温度计中的应用，温度计已经从原始的玻璃管结构发展到了现在的以传感器为主要组成部分的结构。传感器的精度灵敏度决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等，现在比较常用的有热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等。近年来，数字温度计正处于传统型向新型温度计转型的发展阶段。新型温度计的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。1.3本论文主要研究内容1.3.1主要内容 采用单片机AT89C52为控制核心，由铜热电阻、差分比例运算放大电路LM358、A/D转换芯片PCF8591完成数据采集，独立键盘作为输入来调节报警温度的上下限，LED数码管显示温度上下限和测得的温度。1.3.2基本要求(1)单片机完成温度计功能，可显示温度数值。(2)使用温度传感器和A/D变换器采集温度信息，采用铜热电阻作为测量温度的主要器件。(3)可以任意设定温度的上下限报警功能。(4)C语言编程，实现相关逻辑控制。(5)电路原理图设计。(6)提出系统设计框图，提出相应的解决方案。(7)需单片机和芯片，开发电路板以相关传感器，价格200元。1.3.3主要技术指标(1)系统供电电压：直流5V。(2)工作电流：小于500mA。(3)LED屏幕显示结果。 第2章 热电阻温度计总系统设计2.1热电阻温度计整体设计方案温度计就是能够显示其所在环境的温度的仪器。并且能够设定温度的上下限，当超过这一范围的时候实现蜂鸣器报警，仪器包括七个部分：铜热电阻、放大器、A/D转换器、单片机、键盘输入、LED显示、蜂鸣器报警电路。系统总框图如图2-1所示。图2-1系统总框图其中铜热电阻和单片机芯片是温度计的两大核心，根据测量温度范围以及报警功能的需要，选择合适、精确、经济的铜热电阻以及单片机芯片是至关重要的。2.2各个主要模块电路器件的选择(1)传感器的选择方案一：采用热电阻Cu50。铜热电阻主要由接线端子、绝缘套管和感温元件组成。可以测量从-50至150范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。铜热电阻具有良好的电输出特性，可提供准确的温度变化信号。方案二：采用热电阻PT100。性能和测温范围较Cu50稍高，但是成本较高，考虑到设计的要求，不予选择。因此，选择方案一。(2)放大电路的选择方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。 普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声，由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。方案二：采用差分比例运算电路。虽然对器件的要求仍比较高，但是所用器件较少，容易实现。并且一个放大器足以满足实验的要求2。综合考虑，选择方案二。 (3)放大器的选择 方案一：采用双独立运放的LM358。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。方案二：采用四独立运放的TL084CN。TL084CN是一款高输入电阻的四运放，但是精度不高。综合考虑，选择方案一。(4)键盘的选择方案一：利用I/O口直接连接矩阵式键盘。采用中断或查询方式，键盘处理采用查询法并对按键进行消抖处理。方案二：采用独立键盘。用开发板上的四个独立键和单片机的P3.0-P3.3相连接，编写程序相对于矩阵键盘更加简单。综合考虑，选择方案二。(5)单片机的选择STC和AT89系列有很多相同点都支持ISP在线编程功，但AT89S51是模拟ISP，不是真正的ISP。可以不用昂贵的编程器，只用自己做一个编程即可。都是40引脚两种单片机。不同的是，STC的在线编程方式是通过串口，需要一个MAX232芯片做串口通信电路，AT的是并口编程方式，需要一个74HC244来做并口通信电路。 AT89系列51是指ATMEL出的51单片机，特点是AT发挥了自己在FLASH上的特长，把flash储存器集成到单片机里，然后推广的也好用的人多，其实和标准的51单片机没有太大不同，可以认为就是标准51单片机。这些单片机都是需要把晶振频率除以12后才是机器周期，所以慢。STC系列从性能方面上说价格最便宜，功能比较多，抗干扰能力最强，串口编程比较与并口编程更容易掌握。并且STC单片机可以理解成是把传统51单片机A/D芯片定时芯片复位芯片全做到一个芯片里，同时还内置RC振荡单片机的运行速度也比传统51快了12倍，用起来比51要方便3。综合考虑，选择STC89C52作为本系统的单片机。(6)数码管的选择方案一：半导体发光二极管（LED）的工作原理是利用发光二极管把电能转化为光能的电光转换过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子的能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就不同。方案二：液晶显示器（LCD）的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。LED适于制成各种小型信号灯、微型光源、光耦合器件、数码管、字符管等小型显示器件或转换器。用LED制成的全电子式仪表中的电子显示器，以及点阵平面显示屏得到了广泛的应用。LCD对比与LED其可以在数码管上呈现图案，更加美观，但成本费用更高。本设计主要是显示温度，数码管只是起到显示的模式，所以采用LED更合理。综合考虑，选择方案一。2.3单片机控制程序的选择对于指令系统兼容MCS51系列的单片机，其较为常用的编程语言有C和汇编语言。C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，是一种结构化编程语言，可产生压缩代码。C语言运用于单片机编程的优点在于：在硬件结构上仅要求对单片机存储器等硬件结构有初步了解，寄存器分配，不同存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理。C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以在不同种类的单片机之间相互移植。程序可划分为不同函数，结构规范，可读性强。C语言提供的库包含许多标准子程序，具有很强的数据处理能力。C语言作为一种方便、容易掌握的语言得到了广泛的应用，是目前单片机编程中应用最多的语言之一。汇编语言同样在单片机编程中得到了广泛的应用，其具有简单实用，控制灵活，实时性强，程序效率高等特点。汇编语言有着极强的硬件控制能力，用其它的高级语言所无法控制的软硬件细节，在汇编语言中都可以实现，但是编程复杂。综合考虑，软件的设计语言选择C语言。第3章 热电阻温度计硬件设计3.1温度计硬件设计总方案硬件部分主要包括的电路有：直流电桥电路、差分比例运算放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路、键盘控制电路、LED显示电路。直流电桥中用一铜热电阻替换电桥中的一个电阻，当铜热电阻的阻值变化的时候可以转换成电压的变化，由于此时电压变化的幅值很小，芯片很难检测出来，因而需要放大电路将信号进行放大，然后将放大后的信号输入到A/D转换芯片中，转化后生成的数字量输入到单片机中，然后送到LED数码管显示电路中进行显示，用独立键盘对温度的上下限进行调节，当温度低于设定的下限的时候或者高于设定的温度的上限的时候，蜂鸣器进行报警。3.2直流电桥电路3.2.1热电阻由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜热电阻作为传感器。由于铜热电阻具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。本系统采用的是Cu50热电阻，铜热电阻是通过金属在温度变化时本身电阻也随之发生变化的原理来测量温度的仪器。铜热电阻主要由接线端子、绝缘套管和感温元件组成。可以测量各种生产过程中从-50至150范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度。工业用热电阻作为测量温度的传感受器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。在-50到150范围内，铜热电阻的化学、物理性能稳定，输入输出接近线性，价格低廉。铜热电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯性大，而且当温度高于100时铜热电阻易被氧化，因此铜热电阻适于在温度较低，没有腐蚀性的介质中工作。铜热电阻的阻值与温度变化之间的关系可近似的表示为： （ 3-1 ）式中，、为铜热电阻在0和t时的电阻值； 为铜热电阻的温度系数（）。通过查找Cu50的分度表得Cu50铜热电阻在环境温度为50时，电阻值为60.7。 3.2.2直流电桥电路的设计本设计采用了直流电桥电路将热电阻阻值微小的变化转换成为电压的变化，然后输入到A/D转换器中转换成为数字信号显示出来，该设计采用了直流电桥电路。直流电桥电路如图3-1所示。当电桥各桥臂电阻满足条件时，则电桥输出电流为0，电压，称电桥处于平衡状态。 图3-1直流电桥当某一个桥臂为热电阻时，其他桥臂为固定电阻。则 （ 3-2 ） 式中，电压随的变化而变化的值； 加载到直流电桥上的电压值。 直流电桥的电阻选择,当温度是0时，Cu50的电阻为50，此时 （ 3-3 ） 本设计需要测量的范围是0到50，当温度为0时，直流电桥的输出电压为0V，当温度为50时，直流电桥的输出电压为0.24V。3.3放大电路由铜热电阻构成的直流电桥的输出电压为毫伏级，而A/D转换器所能处理的电压是05V，所以必须在A/D转换器前加入放大电路以实现电压的放大，放大二十倍能够让单片机识别，使输出电压为05V。虽然三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，但是它对组成器件电阻的对称性要求很高，因而如果组成电阻有一点误差将会大大的影响系统的稳定和放大倍数。所以选择一级放大的差分比例运算放大电路4。差分比例放大电路如图3-2所示。图3-2差分比例放大电路差分比例运算放大电路中两个输入电压和各自通过电阻和分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端。另外，从输出端通过反馈电阻接到反相输入端，为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，通常要求,。在理想条件下，由于“虚断”，利用叠加定理可求得反相输入端的电位为： （ 3-4 ） 而同相输入端的电位为： （ 3-5 ）因为“虚短”，即，所以， （ 3-6 ）当满足条件,时，整理上式可得差分比例运算电路的输入输出关系为： （ 3-7 ）在本设计中单片机能够接收的电压范围为0到5V，为了最大限度的利用这一范围，需要将直流电桥的输出电压放大20倍后输入到PCF8591中进行A/D转换。当环境温度为0时，输入到单片机的电压为0V；当环境温度为50时，输入到单片机的电压为4.8V。根据常用电阻的阻值大小，采用RF=1K，R1=50，实现放大20倍的功能。放大电路采用差分比例运算放大电路，放大的器件采用LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。其引脚图及引脚功能如图3-3所示。LM358的主要特性有：内部频率补偿；直流电压增益高（约100dB）；单位增益频带宽（约1MHz）；电源电压范围宽：单电源（3-30V），双电源（1.5-15V）；低功耗电流，适合于电池供电；低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大（0至1.5V）。LM358主要参数有：输入偏置电流45nA；输入失调电流50nA；输入失调电压2.9mV；输入共模电压最大值VCC-1.5V；共模抑制比80dB；电源抑制比100dB。图3-3LM358引脚图和引脚功能3.4A/D转换A/D转换芯片选用了PCF8591。它的管脚图如图3-4所示。图3-4PCF8591管脚图PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。PCF8591的特征是可以单独供电；PCF8591的操作电压范围2.5V-6V；低待机电流；通过I2C总线串行输入/输出；PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址；PCF8591的采样率由I2C总线速率决定；4个模拟输入可编程为单端型或差分输入；自动增量频道选择；PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD；PCF8591内置跟踪保持电路；8-bit逐次逼近A/D转换器；通过1路模拟输出实现DAC增益。3.5单片机本设计系统采用的是STC89C52。管脚图如图3-5所示。STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路。它的特点有：增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：5.5V-3.3V；工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz；用户应用程序空间：8K；片上集成512字节RAM；通用I/O口，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口) P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻； ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；有EEPROM功能；内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20M以下时，可省略外部复位电路；共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断电平触发中断方式唤醒；工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。STC89C52单片机的内部结构框图如下图所示。STC89C51单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块STC89C51系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统5。STC89C52各个管脚功能有：(1)P0.7：此引脚的作用是外接蜂鸣器。通过改变引脚的电平高低来控制蜂鸣器的响停。(2)P1.0/T2：作为P1.0时，标准I/O口PORT10；作为T2时，定时器/计数器2的外部输入。(3)P1.1/T2EX：作为P1.1时，标准I/O口PORT11；作为T2EX时，定时器/计数器2捕捉/重装方式的触发控制。(4)P1.2P1.7：标准I/O口PORT12标准I/O口PORT13。 P1.0P1.7的作用是外接锁存器。(5)P3.0/RxD： P3.0 标准I/O口PORT30；RxD 串口1数据接收端(6)P3.1/TxD：P3.1 标准I/O口PORT31；TxD 串口1数据发送端(7)P3.2/INT0： P3.2 标准I/O口PORT32；INT0外部中断0,下降沿中断或低电平中断。(8)P3.3/INT1：P3.3 标准I/O口PORT33；INT1外部中断1,下降沿中断或低电平中断。 P3.0P3.3的功能是外接键盘输入。 (9)P3.6 WR低电平有效，输出，片外数据存储器或I/O端口写选通。 (10)P3.7 WR低电平有效，输出，片外数据存储器或I/O端口读选通。 P3.6P3.7的功能是A/D转换芯片和单片机直接的数据交换。(11)XTAL1：内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。(12)XTAL2内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。(13)VCC：电源正极。(14)Gnd:：电源负极，接地。图3-5STC89C52管脚图3.6报警显示电路3.6.1数码管显示电路设计本设计中的LED数码管采用的是共阴极，动态显示。共阴数码管即是公共端接地，另一端需要高电平即会点亮发光管，而公共地端既是位选，既低电平有效。而另一端既是段选，段选信号既是高电平有效，这样就构成了整体的发光数码管电路。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管显示分为静态显示和动态显示。本设计采用的是动态显示。静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O端口才32个），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，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，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低6。3.6.2声音报警电路设计喇叭的正极接到三极管的发射极，由三极管起到放大作用，负极经过单片机的P0.7口控制，如果P0.7口输出为低电平则喇叭响，此时喇叭只能响一次，如果有频率的改变其电平，此时蜂鸣器就可以不停地进行报警。因此，通过程序控制P0.7的电平不停地有节奏的高低变化来驱动蜂鸣器发声。蜂鸣器的电路如图3-6所示。图3-6蜂鸣器电路3.7电源电路的设计由于在直流电桥上所加的直流电压如果不稳定的话，将直接导致温度计的精确度降低，所以添加一个稳压电路，能够提供稳定的直流5V电压，确保设计测量的准确性。系统需要外接12V电源，本电路的核心器件是7805芯片，其功能就是将12V转换成5V的电源，其中C1和C2是滤出其中的高次谐波，C3和C4的功能是使输出的电压更加稳定和滤出其中的高次谐波，最终输出端即Vcc端输出的是稳定的5V直流电源。电源电路的具体电路如图3-7所示。图3-7电源电路本设计中所采用的稳压芯片为7805，7805芯片三端稳压IC来组成稳压电源，所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。78系列的稳压芯片中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压。3.8系统设计原理图系统设计原理图利用protel99se绘制而成，目的是为了更方便的了解本设计的设计原理和结构构造。系统设计原理图见附录B。第4章 热电阻温度计软件设计4.1主程序的流程图主程序包含数据采集模块、液晶显示模块。 本论文中，软件解决的主要问题是检测铜热电阻经过直流电桥后转化成的电压信号，然后对信号进行A/D转换，LED温度显示，以及报警器警报。具体的软件程序运行顺序如下：当开始运行后，会先进行初始化，直流电桥会根据Cu50的电阻输出相应的电压值，这些准备进行完成后，经过放大的模拟信号会送到PCF8591中，程序会通过I2C总线读取模拟量，转化为数字量后，同时扫描是否有独立键盘的按键按下，如果有的话，延时100ms后再判断是否有按键按下，如果有，则在相应的位置加一或者减一。此时调用显示子程序，将测得的温度值显示在LDE数码管上。同时会判定是否超过程序设定的温度上下限，如果高于上限或者低于下限，会进入相应的报警处理程序中，如果没有继续进行数据采集。程序流程图如图4-1所示。软件部分完成了和硬件电路相对应的各功能，信号采集方面只要通过由Cu50构成的直流电桥收集并经过A/D转换功能后送入了可擦可编程只读存储器，通过I2C总线去提取数据，而数码管显示电路的程序则是通过段选位选的方式进行数码管的使用，另外蜂鸣器的报警功能只要通过控制单片机端口的电平转换即可完成7。图4-1主程序流程图4.2显示子程序流程图LED显示时首先进行位选，选择进行哪个数码管的显示，然后进行段选，判断七段数码管到底哪些亮，扫描时间不能太长，不然数码管会闪烁，上一个数码管显示后由于视觉暂存效果会一直有显示8。LED数码管显示程序流程图如图4-2所示。图4-2显示子程序流程图4.3PCF8591A/D转换程序设计经过放大电路放大后的电压信号经过PCF8591A/D转换后输入到单片机内。主要分为启动、读取数据、读出转换结果、存入指定内存单元。PCF8591初始化后，就具有了将通道输入的模拟信号转换成对应的数字量，然后再存入内部RAM的指定单元中。在控制方面采用程序查询方式。数据采集模块流程图见图4-3所示。图4-3数据采集子程序流程图4.4通信协议I2C总线I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件通常为微控制器控制，主器件产生串行时钟SCL控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。I2C通讯协议流程图如图4-4所示。图4-4I2C通讯协议流程图第5章 设计误差分析在测量仪器的实际使用中，造成误差的来源很多，通常是多种误差源综合作用的结果。就本仪器而言，误差来源主要有软件和硬件两个方面。5.1软件方面 软件误差主要来自以下两个方面 （1）A/D转换量化误差 STC89C52单片机的外部A/D转换器所带来的误差，输入单片机模拟电压信号03.7V，参考电压2.5V，A/D转换器对输入模拟信号的最大分辨率达不到太精确。 （2）数字显示过程中的有限字长效应 在数字显示过程中，用到了乘法和除法运算，因此 在运算过程中，由于字长有限而不能保留原有数据的有效位数会出现舍入误差，由于累计计算会造成计算误差。5.2硬件方面 硬件误差主要来自以下四个方面： （1）传感器非线性误差 本系统选用Cu50热电阻，环境温度与热电阻的阻值存在一定的非线性。利用热电阻进行温度测量时，热电阻的阻值很小，导线的电阻值不能忽略。实验证明50的铜热电阻，若导线电阻为1，将会产生5的误差。实际出的实物和所测环境的温度误差在3。（2）器件不稳定和直流电桥所加电压不稳定造成的误差 传感器运用过程中会出现电压不稳定，从而造成测量出现误差的问题，温度的降低会导致电子元器件的精度的降低。直流电桥的电阻长时间处于通电状态时变热，电阻会随之升高，对仪器的精度产生不可忽视的影响。直流电桥所加的电压如果不稳定，经过放大器放大后，直接导致输入到单片机的电压发生不可忽视的误差，所以直流电桥所加的电压要保证一定是5V。（3）环境、外部噪声引起的误差 环境因素包括环境温度、湿度、空气中的尘埃等。对本系统来说，空气中的成分对系统的放大电路和单片机及其外围电路影响虽然很小，但是仍然不能忽略。 第6章 结论与展望6.1结论本设计利用铜热电阻和AT89C52单片机等器件完成了这次的铜热电阻温度计的设计，经过努力的调试，温度计能够显示当前大气空气的温度，并且将铜热电阻的绝缘套管放置到温度相对较高的环境中时，温度计也能够相对准确的显示该环境的温度，该温度计还具有温度上下限报警功能，提前可以先用键盘设定报警温度的上下限，当温度低于下限或者高于上限时，蜂鸣器能够不停的发出报警声。在设计初期，选择的放大芯片是TL084CN。但是这种四运放的精度不够高，使得温度计所测量的温度和实际的温度有很大的偏差，因而直接影响到了温度计的精度，经过再三考虑和慎重选择，最终确定用LM358代替原来的TL084CN，因为LM358是高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用。数据采集对于该设计是至关重要的环节，包括传感器对外界环境温度的感应，信号的放大和A/D转换，由于传感器采集到的信号只有毫伏级，而单片机的工作电压是05V，所以要先对信号进行放大，放大倍数的计算要考虑多种因素：首先要保证差分比例运算放大电路中的电阻值对称原则，因为如果电阻值选取的不规范，就会导致外界干扰增强，漂移变大；然后放大倍数也要符合要求，因为如果放大倍数太高就会使得温度超过某一值后不能正常显示，如果放大倍数过低就会导致温度计测量范围偏大，增大误差。所以参数的计算显得尤为重要。6.2 展望随着科学技术的迅猛发展，电子仪表正向着集成化、智能化和数字化迈进，原来单调的简单的功能越来越不能满足人们对高质量生活的需要，因而推动了现在的数字电子产品不停的更新换代。而作为数字电子产品的核心器件：传感器和单片机，它们的性能直接影响到电子仪表的发展程度。只有充分的了解这些核心部件，才能更好的在原来的基础上进行改革和创新。为了使温度计更能满足人们日常的需要，我想还可以给温度计加上一些附加功能，比如语音提示或者报警，或者将温度计跟继电器相连接，当温度到达一定的数值时，驱动继电器动作，比如开关空调或者门窗。但是由于时间比较紧张，再有这样的系统比较复杂，经济方面等条件的限制，不能实现该功能，我对此感觉特别的遗憾。在今后的日子里我依然会不断的努力学习，完善设计的功能，最终让它能够有现实意义。参考文献1 刘爱华，满宝元传感器原理与应用技术M北京人民邮电出版社，20102 孙礼惠低漂移高增益运算放大器的理论与实践J北京化工大学学报，1980年01期3 周立功单片机实验与实践M北京航空航天大学出版社，20044 杨素行模拟电子技术基础简明教程（第三版）M高等教育出版社，20055 凌志浩AT89C52单片机原理与接口技术M高等教育出版社，20026 殷桂梁单片机热力管道内壁温度测算仪J自动化与仪表，1997年02期7 刘卫国C语言程序设计M中国铁道出版社，19978 Data Sheep Philips Semiconductors，19999 余孟尝数字电子技术基础简明教程（