半导体热敏电阻温度测量的设计

1、信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 设计题目半导体热敏电阻测温仪表的设计学生学号:学生姓名:职 称:课程设计任务书一、设计题目:半导体热敏电阻测温仪表的设计二、设计目的1、掌握对电路板的设计流程及焊接技巧;2、掌握 C8051F410单片机体系结构及 C 语言程序设计方法;3、掌握半导体热敏电阻的测温及热敏电阻测温过程的标定方法;4、掌握利用 Keil 进行软件仿真及对可编程逻辑器件进行硬件下载的方法;5、用 Protel 软件进行电路图的绘制 , 译码器及 LED 动态扫描显示驱动电路设计的方法。 三、设计任务及要求要求学生设计出能够采集 R25=10K的热敏电阻测温仪表, 分析热敏电阻测

2、温原理, 能够通过软 件将热敏电阻的阻值 -温度特性转换出来,掌握热敏电阻测温过程的标定方法。热敏电阻测温仪表具体设计指标:1.输入信号:热敏电阻;2.显示方法:LED 数码管;3.供电电源:220VAC ;4.测温误差: 1。四、设计时间及进度安排 五、指导教师评语及学生成绩 摘 要(题目:半导体热敏电阻测温仪表的设计摘要:在生产过程中, 为了高效地进行生产, 必须对其主要参数, 如温度、压力、 流量等进行有效 的控制。 温度控制在生产过程中占有相当大的比例。 在日常生活及工业生产过程中, 经常要用到温 度的检测及控制, 温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。 温度测量是温度

3、控 制的基础,技术已经比较成熟。该设计介绍了一种利用单片机 C8051F410组成的温度控制系统, 从硬件和软件两方面介绍了单片机温度控制系统的设计思路。着重介绍了硬件原理图和程序框图。 阐述了系统的工作原理、 设计及实现。由热敏电阻测量当前的温度, 并将结果送入单片机。 然后通 过 C8051F410 单片机对送来的温度进行计算和转换, 并将此结果送入显示模块。最后,由 LED 数码管将温度显示出来。它可以实时的显示和设定温度,实现对温度的控制,同时系统结构简单、 性能可靠、具有扩展性好,分辨率高,测量范围宽,抗干扰性强等特点。关键字 :C8051F410单片机;热敏电阻;温度测量目 录参考

4、文献 . 15 附 录 . . 16第 1章 绪 论1.1 课题的设计目的课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节,是对学生进行的一次综合性专业设计训 练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力,为毕业设计(论文奠定基础。1 进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课(或专业基础课理论知识,培养学生 设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能。2 培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力。3 培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。 1.2 总体设计框图本方案以 C8051F410单片机系统为核心,对单点的温度进行实时测量。并

5、采用热敏电阻作为 温度传感器, C8051F410内部 12位 SAR ADC作为 A/D 转换部件作为温度信号的采集, 具有大范 围、高精度的特点。最后通过 LED 数码管显示结果。本方案在功能、性能、可操作性等方面都有 较大的提升,具有更高的性价比。整体设计框图如图 1-1所示: 图 1-1 整体设计框图C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型 MCU 。 具有高速、 流水线结构的 8051兼容的为控制器核(可达 50MIPS ,真 12位 200ksps 的 24通道 ADC ,全速、非侵入式的在系统 调试接口, 带模拟多路器、 高进度可编程的 24.5MHz 内部振荡

6、器, 达 32KB 的片内 FLASH 存储器, 4个通用的 16位定时器,多达 24个端口 I/O等,具有片内上电复位、 VDD 监视器、 看门狗定时器 和时钟振荡器的 C8051F410器件是真正能独立工作的片上系统。 FLASH 存储器还具有在系统重新 编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新 8051固件。用户软件对所有外设具有完全 的控制,可以关断任一个或所有外设以节省功耗。A/D转换器的转换精度对测量电路及其重要,它的参数关系到测量性能。本设计采用 C8051F410内部 12位 SAR ADC作为 A/D 转换部件, 它的性能比较稳定, 转换速度较高, 抗干扰 能力较强。

7、由于本系统测量的是温度信号,响应时间长,滞后大,不要求太高的精度,因此选择 C8051F410内部的 A/D转换器不仅可以很好的满足设计的基本要求还可以简化系统电路,使测量 系统简洁化,实用化。本设计采用传统的共阳极七段数码 LED 显示器, 虽然 LED 能简单的显示出测量温度, 但是与 单片机相连的时候线路比较复杂。220V 交流电源经 1K 的电阻 (充当保险丝的作用 和变压器相连接, 变压器再与桥式整流模块 相连接, 桥式整流模块再经 1000uF 的滤波电容后和 7805稳压模块相连接经 100uF 的滤波电容后获 得 VCC+5V的电压。用以给所需要的地方提供电源。 C8051F4

8、10单片机内部还有电源为其提供所 需要的电。第 2章 硬件设计及元件介绍2.1 热敏电阻元件介绍NTC 是 Negative Temperature Coefficient 的缩写,意思是负的温度系数,泛指负 温度系数很大的半导体材料或元器件,所谓 NTC 热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。 它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料, 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属 氧化物材料都具有半导体性质,因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低 时,这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴数目少,所以其电阻值较高;随着温度的升 高,载流子数目增加,所以电阻值降低。NTC 热敏电阻器的电阻与温度

9、的关系为:(2-1式中 0R 是热敏电阻温度为 0T (K 时的电阻值; B 为材料和工艺决定的常数; T R 是热敏电阻温度为 T 时的电阻值, 可见 R 与 T 为非线性关系, 如图 2-2所示。 采用图 2-3的分压式电路进行测温,T R 和精密电阻 Rs 构成测温电路,检测结果经 104电容滤波后由后续电路进行必要的处理及输出。由图 2-3可知,分压电路的输出电压为:DD T S S T U R R R U += (2-2式中 DD U 为电路供电电压。图 2-2 热敏电阻阻值与温度的关系 图 2-3 分压测温电路额定零功率电阻值 R25 (00T T B T e R R -*=根据国

10、标规定, 额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 时测得的电阻 值 R25, 这个电阻值就是 NTC 热敏电阻的标称电阻值。 通常所说 NTC 热敏电阻多少阻值, 亦指该值。材料常数(热敏指数 B 值( K , B 值被定义为:RT1 :温度 T1(K 时的零功率电阻值; RT2 :温度 T2(K 时的零功率电阻值; T1、 T2 :两个被指定的温度( K 。 对于常用的 NTC 热敏电阻, B 值范围一般在 2000K 6000K 之间。热敏电阻器是利用半导体材料制成的热敏元件。 它的电阻随电阻体的变化而变化。 通常分为正 温度系数热敏电阻器 (PTC , 负温度系数热敏电阻器

11、 (NTC 和临界温度系数热敏电阻器 (CTR 。 本系统采用的是负温度系数热敏电阻器 (NTC , 其灵敏度高, 电阻负温度系数较大,工作温度范 围宽,体积较小,使用比较方便。2.2 5V稳压源的设计7805芯片是实验中最常用到的稳压芯片,它的使用方便,用很简单的电路就可以输入一个直 流稳压电源,它的输出电压恰好为 5V ,刚好是 C8051F410单片机所需要的电压,因此,本设计也 使用 7805芯片获得 5V 稳压电源,其电路图如图 2-4所示:图 2-4 稳压电源电路图220V 交流电压经过变压器转换成 9V 交流电压, 然后通过桥式整流电路将 9V 交流电压转换为 9V 直流电压,经

12、过 1000uF 电容滤波后输入 7805芯片,输出电压经 100uF 滤波电容后就变成 5V 稳压电源。2.3 模数转换单元本设计采用的模数转换单元是 C8051F410单片机内部的 A/D转换单元。 C8051F410器件内部 有一个 12位 SAR ADC 和一个 27通道单端入多路选择器,该 ADC 最大转换速率为 200ksps.ADC 系统包含一个可编程的模拟多路选择器,用于选择 ADC 的输入。 A/D转换可以有四种启动方式:软件命令、 定时器 2溢出、 定时器 3溢出和外部转换启动信号。 这种灵活性允许用软件事件,周期 性信号或外部硬件信号触发转换。在完成 1、 4、 8或 1

13、6次采样并由硬件累加器完成累加后,一个 状态位指示转换完成并产生中断。转换结束后,结果数据字被锁存到 ADC 数据寄存器中。其原理 框图如图 2-5所示: 图 2-5 12位 ADC 原理框图2.4 C8051F410单片机系统电路图C8051F410系列的单片机系具有片内上点复位, VDD 监视器 , 看门狗定时器和时钟振荡器, 是 能独立工作的片上系统。 FLASH 存储器具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储。每种 器件都可在工业温度范围 40+85,内有 2.0V2.75V的电压工作。 2-6单片机系统电路图引脚介绍 :VDD 7 内核电源VIO 1 I/O电源GND 6 地V

14、RTC-BACKUP 3 smaRTClock后备电源VREGIN 8 内部稳压器输入/RST 2 数字 I/O 器件复位。内部上电复位或 VDD 监视器的漏极开路输出。一 个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平(至少 15s 来启动一次系 统复位。建议在该引脚与 VDD 之间接 1K? 的上拉电阻。C2CK 数字 I/O C2调试接口的时钟信号。P2.7 32 数字 I/O 端口 P2.7C2D 数字 I/O C2调试接口的双向数据信号。XTAL3 5 模拟输入 smaRTClock振荡器晶体输入。XTAL4 4 模拟输出 smaRTClock振荡器晶体输出。P0.0 17 数字 I/O或模拟

15、输入 端口 P0.0IDAC0 拟输出 IDAC0输出P0.1 18 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.1IDAC1 模拟输出 IDAC1输出P0.2 19 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.2P0.3 20 数字 I/O 端口 P0.3P0.4 21 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.4TX 数字输出 UART TX引脚P0.5 22 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.5RX 数字输入 UART RX引脚P0.6 23 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.6CNVSTR 数字输入 ADC0、 IDA0 和 IDA1的外部转换启动输入。P0.7 24 数字 I/O或模拟输入 端口 P0

16、.7P1.0 9 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.0XTAL1 模拟输入 外部时钟输入。对于晶体或陶瓷谐振器,该引脚是外部振荡器电路的反馈输入。P1.1 10 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.1XTAL2 模拟 I/O或数字输入 外部时钟输出。该引脚是晶体或陶瓷谐振器的激励驱 动器对于 CMOS 时钟、电容或 RC 振荡器配置,该引脚是外部时钟输入。 P1.2 11 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.2VREF 模拟输入 外部 VREF 输入。2.5 编程软件KeilSoftware 公司推出的 uVision3是一款可用于多种 8051MCU 的集成开发环境(IDE ,该 IDE

17、同时也是 PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外, uVision3还提供了一个配置向导功能,加速了启动代码和配置文件的生成。 此外其内置的仿真器可模拟目标 MCU ,包括指令集、片上外围设备及外部信号等。 uVision2提供 逻辑分析器, 可监控基于 MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。 本系统的软件程序主要运用 Keil uVision2。2.6 显示电路一个温度测量系统必须有直观的显示单元以来观察温度的变化及温度值, 必要时还要加上其他 与温度有关的显示数据。本系统只要求显示转换后的温度值,因此只用了 3个 LED 数码管

18、作为显 示单元,其显示电路图如 2-7所示:图 2-7显示电路图本设计采用的是共阳极 LED 数码管动态显示方式。在这种方式下,当三位 LED 显示时将所 有位的段选线相应的并联在一起,由一个 8位 I/O口控制, 形成段选线的多路复用。 而各位的共阳 极分别有相应的 I/O口线控制,实现各位的分时选通。其中段选线占用一个 8位 I/O口,而位选线 占用 3个 I/O口,由于各位的段选线并联,段码的输出对各位来说都是相同的,因此,同一时刻, 如果各位选线都处于选通状态的话, 那 LED 显示器将显示相同的字符。 若要各位 LED 能显示出与 本为相同的字符,就必须采用扫描显示方式,即在某一时刻

19、,只让某一位的位选线处于选通状态, 而其他各位的位选线处于关闭状态, 同时, 段选线上输出相应位要显示字符的段码。 这种显示方式 占用的 I/O口个数为 11, 相对静态显示少了很多, 但需要占用大量的 CPU 资源, 当 CPU 处理别的 事情时,显示可能出现闪烁或者不显示的情况。此外,本设计中将其中一个 LED 数码管的 g 端口直接接高电平,让其做温度示数中小数点的 作用,这样就又节省了 3个 I/O口数,也很好的显示了结果。显示采用 3位共阳极 LED 动态显示 方式,显示方式有温度值的十位、个位及负位,这样就可以只用 P2口来输出显示数据,从而节省 单片机端口资源。 第 3章 软件设

20、计系统软件的设计中含有以下几个处理模块:主程序模块及初始化, 中断处理模块, 数据处理模 块,输出模块,显示模块。3.1 Keil C51 软件介绍及使用KeilC51是美国 Keil Software公司出品的 51系列兼容单片机 C 语言软件开发系统, 与汇编相比, C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易 用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全 Windows 界面。 另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到 Keil C51生成的目标 代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件

21、时更能 体现高级语言的优势。我们利用开发软件 Keil uVision2来编写、 修改所需程序并下载程序到单片机运行。 其下介绍 Keil uVision3的使用步骤:1.双击 Keil uVision2,进入开发环境;2.新建界面 ;3. 单片机的选择,找到本系统主要芯片 C8051F410;4. .C 文件的建立与添加在添加 .C 文件之后,就可以在里面编写自己的程序了,在编写完后编译,连接,下载 调试。如果没有错误,就可以烧录在芯片当中。3.2 程序设计流程图本设计要求通过外界温度环境的变化使单片机采集到数据, 进行处理输出显示结果。 先初始化, LED 显示出当前的室温,稳定后用手去摸

22、热敏电阻,热敏电阻将所测的手温度通过 p1.7传送到 C8051F410单片机芯片内,经过读 A/D值。进行一系列的运算,得到温度 T 值,显示到 LED 显示模 块上。 则热敏电阻随着室温、 人体温度的不同 , 及时在 LED 共阳极数码管上更新显示的当前的温 度。 图 4-1软件流程序在进行程序编辑之前,要对 C8051F40单片机各个特殊功能寄存器进行系统的初始化,使其能 有效地为我们的设计程序服务,达到我们设计的目的,其初始化流程图如图 3-3所示:图 3-3 系统初始化流程图 由图 3-3可知,其系统初始化程序如下void CONFIG(/看门狗禁止,以方便调试PCA0MD = 0x

23、00; /看门狗禁止REG0CN = 0x10; /内部 LDO 使能PFE0CN = 0X20; /预取指令允许 PFEN 位置 1/-/交叉开关配置XBR0 = 0x00; / 不接端口引脚XBR1 = 0x40; / 交叉开关使能P1MDIN = 0x7f; /p1.7 模拟输入P1MDOUT = 0;/-/系统时钟配置,采用内部晶振CLKSEL = 0x00; /时钟乘法器OSCICN = 0x87; /振荡器使能不分频/-/T2初始化/T2工作于自动重装载定时方式,定时时间 1mS , PID 运算时间最短为 1ms TMR2CN = 0x04; /开定时器 2TMR2RLH = 0

24、xe0; /定时器 2重装载高字节TMR2RLL = 0x18; / 低字节TMR2H = 0xe0; /定时器 2高字节TMR2L = 0x18; /低字节IE |= 0x20; / 允许 TF2L 或 TF2H 标志中断请求/-/VREF初始化REF0CN = 0x13; /基准电压 2.2v/-/ADC0初始化ADC0CN = 0x80; /ASC0处于使能状态,可以进行转换数据ADC0CF = 0xf0;/-EA = 1; /开启全局中断21 计算热敏电阻电压 V R T已知采样 AD 值为 X ,则由公式可知 :(3-1式中数值 2.2为基准电压值。2 计算热敏电阻阻值 T R由图

25、2-2分压测温电路所示,热敏电阻电压为:(3-2式中 D D U =2.58V为电压供电电压, Rs=3.6K为分压电阻。通过代入数值及变换形式就可得到热敏电阻的阻值,即(3-3式中 U R T 为热敏电阻电压。3 计算温度值 T由 NTC 热敏电阻器的电阻与温度的关系(即式 2-1可知,111log 2008298.15T N T R R =+ (3-4在显示子程序中应首先将其段码和位码分别写好以方便程序的调用,其流程图如图 3-4所示:DD S S S RT U R R R U +=RT RT T U U R -=58. 23600 图 3-4 显示子程序流程图位码、段码的初始化WORD

26、idata AD ;BYTE code BCD_tab = 0x01,0x4f,0x12,0x06,0x4c,0x24,0x20,0x0f,0x00,0x04; BYTE code WM_tab = 0xFB,0xFD,0xFE;BYTE idata BCD_ZH3;BYTE idata tt = 0;BYTE idata t=0;显示程序void XIANSHI(if(XIANSHI_BITif(tt<2tt+;elsett = 0;WM = 255;DM = BCD_tabBCD_ZHtt;WM = WM_tabtt;delay(10;XIANSHI_BIT = 0;设计题目 结 论

27、 从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所 学的理论知识用到实际当中， 学习单机片机更是如此， 程序只有在经常的写与读的过程中才能提高。 通过这三周的学习我对热敏电阻测温系统电路有了一定的认识，同时也是对之前所学的专业 基础课的一次综合性的检验，在动手实践中发现了自己的不足，对待问题上不够严谨细心，导致元 器件功能上有所损失，在某些程序及硬件设备上有很多的欠缺，在这次实习过程中，不仅使课本上 所学的知识得到巩固，更重要的是锻炼了我的动手实践能力和团队合作能力。通过本次毕业设计， 我在专业知识，专业技能和解决问题方法方面得到很大的提高，更深入了解并掌握了传感器的基本 理论知识，并在单片机实际电路开发和常用编程设计思路掌握方面有了一定程度的掌握，尽管本次 设计还不是很完善，但本次硬件设计为半导体热敏电阻测温仪表的设计，从对绘图软件的陌生，经 过几天的自学到初步了解，是一个很大的提高，为自己增强了信心，只要功夫深铁杵磨成针，只要 你想做一定会做成。 - 14 - C? Cap 10000uF C? Cap Pol1 100uF V