热敏电阻测温显示系统

1、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书YS大学课程设计说明书 课程名称 单片机原理及应用 题 目 热敏电阻测温显示系统 学院（系） 电气工程学院 年级专业 2011级检测技术与仪器二班 学 号 学生姓名 指导教师 吴 X 军 教师职称 副 教 授 1燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：仪器科学与工程系学号学生姓名专业（班级）检测11-2设计题目热敏电阻测温显示系统设计技术参数设计一个采用热敏电阻为敏感元件的温度测量显示系统，温度显示范围为0-100，显示分辨率0.1。设计要求设计热敏电阻检测电路与单片机的接口电路、4位LED显示电路；编制相应的程序。工作量设

2、计的内容满足课程设计的教学目的与要求，设计题目的难度和工作量适合学生的知识和能力状况，工作量饱满。工作计划查阅资料进行设计准备、设计硬件电路、编制程序，编制程序、验证设计、撰写任务书。参考资料单片微型计算机接口技术及其应用 张淑清 国防工业出版社单片机原理及应用技术 张淑清 国防工业出版社单片机应用技术汇编指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日第 1 页 共 19 页目 录第一章 摘要3第二章 总体设计42.1 理论分析42.2 过程分析4第三章 硬件电路设计53.1 传感器电路模块53.1.1 测温电桥及信号放大电路53.1.

3、2.测温电桥53.1.3电桥的分析63.1.4.放大电路73.2 A/D变换电路模块73.2.1 A/D转换器简介73.2.2 AD模数转换器模块电路83.3 八段数码管显示103.3.1 实验线路及接线如下103.3.2 数码显示器的控制方式103.4 8051芯片介绍133.5 电源电路14第四章 压力传感器实验数据采集、显示及程序144.1 数据采集及显示144.2 程序设计15第五章 心得体会18参考文献资料18第一章 摘要单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口

4、和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。单片机具有体积小、重量轻、能耗省、价格低可靠性高和通用灵活等优点，广泛应用于卫星定向、汽车火化控制、交通自动管理等方面。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本课题讨论的热敏电阻测温显示系统的核心是目前应用极为

5、广泛的51系列单片机。目前温度计按测使用的温度计种类繁多，应用范围也比较广泛，大多数温度计都是利用物体热胀冷缩原理、热电效应技术、利用热阻效应技术、热辐射原理、声学原理制成，从而进行温度的测量。本系统的温度测量采用的就是热阻效应。测温电桥的主要部分是热敏电阻。热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选

6、择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。 本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而运算放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的进行各种转换处理的要求。ADC0809 的A/D转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，由六位（本实验采用四位）八段数码管显示出测量结果。关键字：温度传感器 热敏电阻 A/D数模转换 数码管动态显示第二章 总体设计2.1 理论分析温度测量模块主要为温度测量电桥，当温度发生变化时，电桥失去平衡，从而在电桥输出端有电压输出，但

7、该电压很小。经过集成放大器放大，将放大后的信号输入AD转换芯片， 进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。显 示 模 块单 片 机测 温 系 统AD 转换模块 信 号 放 大 电 源 图11系统框图 图2.1.1 系统硬件原理图如图112.2 过程分析该温度传感器系统硬件原理图如图11所示，由热电阻传感器测的外界温度，经过信号放大，然后送给模数转换，将原有的模拟信号转换为可以被单片机识别和运算的数字信号，然后通过软件编程和显示电路显示出来当前所测得的温度。它的各部分电路说明如下：（1）测温模块：该部分电路主要使用测温电桥，当温度变化时，电桥处于不

8、平衡状态，从而输出不平衡电压，为测温的基础；(2) 信号处理部分：该部分电路包括电压信号的放大和AD转换，实现模数变换，以及硬件滤波；(3) 单片机部分：本实验采用8051单片机，其工作在最小模式下，主要任务有：控制AD0809进行模数转换、形成必要的时序、进行数据计算以及控制数码管显示；(4) 电源电路部分：该部分电路负责将输入的9V12V直流电，分别转换为稳定的9V、5V、-9V直流电，给传感器，放大电路，单片机，AD0809等供电；(5) 显示电路：显示电路的作用是将测量的温度利用动态数码管实时显示出来。第三章 硬件电路设计3.1传感器电路模块3.1.1 测温电桥及信号放大电路图3.1.

9、1 测温电桥及信号放大电路上图是一个比较常用的温度测量电路，大致分为电源，电阻电桥，运放，输出部分。电源由R4，R6，C1，U1B组成，R4，R6为分压电路，C1主要滤除VCC中纹波，U1B为CA324运算放大器，工作于电压跟随器方式，其特点是具有高输入阻抗低输出阻抗，为后级电桥提供较稳定的电流。电桥由R1，R2，R3，R13及热敏电阻组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻变化，电桥产生电压差。运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A组成，调节R14可以调节输出电压幅值。D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。3.1.2.测温电桥图3.1.2 测温电桥如上图所示，

10、热敏电阻RT和R1、R2、R3、以及可变电阻R13组成一个测温电桥，在室温时，调节R13使电桥达到平衡。当温度升高时，热敏电阻的阻值变大，电桥失去平衡，电桥输出的不平衡电压，经过滤波后，输入运算放大器，进行放大处理。3. 1.3电桥的分析 图3.1.3 电桥原理图(1)电桥输出电压： =（2）电桥平衡条件：当各桥臂发生微小变化时，电桥失去平衡，其输出为：一般R很小，即R<<R，又电桥开始平衡，即所以 实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等。3.1.4.放大电路最后经过放大部分，如图3.1.4，为压力传感器的微弱电压输出的放大电路。分析它是一

11、个差分放大电路,其放大倍数及放大后的电压值与R7、R8、R9、R10有关。图3.1.4放大电路3.2 A/D转换器3.2.1 A/D转换器简介ADC0809由单一+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0V-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100微秒。片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256R的电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接到单片机数据总线上。ADC0809是28脚双列直插式封装。引脚图如图3.2.1所示图3.2.1 ADC0809引脚图IN7IN0模拟量输入通道ALE

12、地址锁存允许信号，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。STRAT-转换启动信号。STRAT上升沿时，复位ADC0809；STRAT下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，STRAT应保持低电平。有时简写为ST。A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时时钟信号引脚。EOC转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连，D0为最低位，D7为最高

13、。OE-输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0。，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。3.2.2 AD模数转换器模块电路A/D转换模块是本次实验中重要的一环，它将温度测量模块的输出电压值转换为数字量，再进一步输入单片机进行处理。A/D转换的内部结构设计图如下图所示。实验箱只有IN0和IN1两个输入端口，输出端口地址取决于片选A/D_CS所接片选端得段地址，。ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D

14、转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.2.2 AD转换电路实验电路及接线如下图示 ：连线连接孔1连接孔21IN0温度传感器输出（AD_CS）2AD_CSCS2图3.2.2 接线框图A/D转换器的结构及连线图如上图所示，AD0809的工作过程如下：首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后发出 结束信号，置EOC引脚信号为高电平，该信号可以作为中断申请信号，当读允许信号到，OE端有高电平，则可以读出转换

15、的数字量，利用MOVX A,DPTR把该通道转换结果读到累加器A中。转换电压为05V，调节桥路中的电位器，使其输出电压为05V，可以在较小范围内波动，当满量程输出时对应八个1的输出，由于前边计算的电压变化和电阻变化成正比关系，而且电阻变化和应变成正比，进而得出的压力和电压是成正比的。传感器桥路输出电压经过比例变换后转换成二进制码的形式送入P0口。其程序框图如下：开始初始化启动A/D数据输出A/D转换完成图3.2.3 A/D转换电路程序框图3.3八段数码管显示3.3.1 实验线路及接线如下 连线连接孔1连接孔21KEY/LED_CSCS0图3.3.1 接口图3.3.2 数码显示器的控制方式（1）

16、静态显示当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的地导通或截止。例如，7段LED显示器显示数字0时，a、b、c、d、e、f段恒定导通，g段恒定截止。这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。（2）动态显示当为数较多时，用静态显示所需的I/O口太多，不太经济，一般采用动态显示方法，

17、即用扫描的方法一位一位轮流点亮显示器的各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次，利用人眼的视觉暂留效应可以看到整个动态显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比值有关。调整电流和时间参数，可以得到亮度较高且较稳定的显示。在动态显示方式中，若显示器的位数不大于8位，则控制显示器各位公共极的电位使他们轮流点亮只需一个I/O口（称为扫描口）；传送显示器的各位所显示的段选码也需一个8位I/O口（称为段数据口）。由于8031I/O口有限，所以本次设计采用动态显示方式。2.动态显示数码管接线部分图3.3.2 数码管电路接线图 用6 位

18、8 段码LED 显示电路，只要按地址输出相应数据，就可以实现对显示器的控制。显示共有6 位，用动态方式显示。8 位段码、6 位位码是由两片74LS374 输出。位码经MC1413 或ULN2003 倒相驱动后，选择相应显示位。 本实验仪中 8 位段码输出地址为0X004H，位码输出地址为 0X002H。此处X 是由KEY/LED CS 决定，参见地址译码。做LED 实验时，需将KEY/LED CS 接到相应的地址译码上。以便用相应的地址来访问。例如，将KEY/LED CS 接到CS0 上，则段码地址为08004H，位码地址为08002H 七段数码管的字型显示表如下: 显示数字1234共阴极字符

19、码06H5BH4FH66H显示数字5678共阴极字符码6DH7DH07H7FH显示数字90AB共阴极字符码6FH3FH77H7CH显示数字CDEF共阴极字符码39H5EH79H71H图3.3.3 八段数码管显示过程如下：经过单片机P0输出的八位二进制码，变换成BCD码，在数码管上显示，经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的温度值。程序框图如下：开始初始化显示数据关所有显示位取显示数据输出位选通信号延时位选通信号移位指向下一个显示数据输出段码数据4位完成？返回图3.3.4 数码管程序框图译码插孔地址范围CS008000H08FFFHCS109000H09FFFHCS20A0

20、00H0AFFFHCS30B000H0BFFFHCS40C000H0CFFFHCS50D000H0DFFFHCS60E000H0EFFFHCS70F000H0FFFFH图3.3.5 地址码插孔及对应地址范围3.4 8051芯片介绍 本实验采用8051单片机，其管脚图如下：图3.4.1 80C51的引脚图1.电源（1）VCC - 芯片电源，接+5V； （2）VSS - 接地端； 2.时钟XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3.控制线（4根）（1）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 PROG功能：片内有E

21、PROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 （2）PSEN:外ROM读选通信号。（3）RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。（4）EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 4.I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还有 第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。3.5 电源电路 电源是整套系统工作的基础，

22、要实现温度的精确测量与显示跟一个合适的稳定的电源是密不可分的，由系统组成可知，系统要正常工作需要一个稳定的+5V电源，用来给测温电桥，单片机，显示模块，AD模块供电，要实现信号的放大还需要给放大模块提供稳定的+9V ,-9V电源。第四章 温度传感器实验数据采集、显示及程序4.1 数据采集及显示数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外完成A/D的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化。系数转换在IN0输入的数最大为5V，要求压力80N对应的是5V，为十六进制向十进制转换方便，将系数进行一定倍数的变换，并用小数点位置的变化体现这一过程。数制之间的转换：在二进

23、制数制中，每向左移一位表示数增加两倍。要求压力80N对应的是5V，而压力与电压的变换是线性关系，对应AD转换器的输出为八个1，当有一定的压力值输入时，对应这个关系转化成相应的二进制代码送入P0口。然后再反过来应用这个变化关系，经最终得到的数值进行二进制到BCD码转化，然后逐位在LED数码管上显示。数据采集用A/D0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的05模拟信号转换成对应的数字量00HFFH，然后再存入存储器的指定单元中。在控制方面有所区别。可以采用程序查询方式，延

24、时等待方式和中断方式。显示子程序是字符显示，首先调用事先编好数码管显示子程序。初始化命令，然后输出显示命令。在显示过程中一定要调用延时子程序。当输入通道采集了一个新的过程参数，当有压力信号输入时，调用显示子程序在数码管上显示。4.2 程序的设计AD0809 equ 0a000h ; AD0809片选OUTBIT equ 08002h ; 位控制口OUTSEG equ 08004h ; 段控制口LEDBuf equ 60h ; 显示缓冲DelayT equ 75h ; 延时ADResult equ 76h ; A/D转换结果 org 0 ;清零ljmp Start ;长转移，开始执行主程序AD0

25、809Read: mov dptr, #AD0809 mov a, #0 movx dptr, a ; 起动 A/D mov a, #40h djnz ACC, $ ; 延时 > 100us movx a, dptr ; mov ADResult, a ; 读入结果 retLEDMAP: ;定义八段管显示码 db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDelay: ; 延时子程序 mov r7, #0DelayLoop: djnz r7, DelayLoop djnz

26、 acc, DelayLoop retSearchLedMap: ;数码显示 anl a, #0fh mov dptr, #LEDMAP movc a, a+dptr retDisplayLED: mov r0, #LEDBuf mov r1, #6 ; mov r2, #00001000b ; 从左边开始显示Loop: mov dptr, #OUTBIT mov a, #0 movx dptr, a ; 关所有八段管 mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr,a mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a ; 显示一位八

27、段管 mov a, #01 call Delay mov a, r2 ; 显示下一位 rr a mov r2, a inc r0 djnz r1, Loop mov dptr, #OUTBIT mov a, #0 movx dptr, a ; 关所有八段管 retStart: nop call AD0809Read mov a, ADResult Cpl a ;AD反码输出，故取反 mov b,#20h ;温度控制系数 mul ab push a ;低八位入栈 mov a,b mov b,#100 div ab call SearchLedMap mov ledbuf+0,a ; 百位数字 m

28、ov a,b mov b,#10 div ab call SearchLedMap mov ledbuf+1,a ;十位数字 mov a,b call SearchLedMap ;个位数字 orl a,#80h ; mov ledbuf+2,a ; 放置小数点 pop a ;低八位出栈 mov b,#10 mul ab mov a,b call searchledmap mov ledbuf+3,a ;十分位数字 mov DelayT,#80 延时DisplayAgain: ;动态显示 call DisplayLED djnz DelayT,DisplayAgain nop sjmp Start end第五章 心得体会通过这次对热敏电阻测温显示系统的设计，我们不但学习了wave6000这个软件，将所学的单片机，汇编语言，电路，数字电子技术，电路设计，传感器等学科的理论知识与实践相结合，而且更加深刻的体会到了实际中电路设计及软件设计与理想情况下的差别，为了让自己的设计更加完善，更加