电热恒温箱的单片机控制系统设计论文

1、电热恒温箱的单片机控制系统设计摘要 随着人们生活水平的不断提高，社会生产生活的需要有了对恒温控制系统的需求，因此，就有了电热恒温箱的单片机控制系统设计，电热恒温培养箱可供科研机关以及医院作细菌培养之用，也可以育种、发酵以及其他的恒温试验用。本文介绍了一种电热恒温箱的单片机控制系统。在温度采集方面选用了美国国家半导体公司的集成化半导体传感器LM134。也可使用国内生产的同类型产品。集成化传感器是新型器件，它比直接用一个PN结作传感器灵敏度高、线性好、使用方便。控制系统主要有三大局部组成，分别是温度采集局部、温度控制局部、控制信号的输出执行局部。系统设计使用的芯片都是系统设计经常用到的器件，微处理

2、机采用美国ATMEL公司推出的单片微机AT89C51，1片Intel 8155作为I/O扩展器，组成微机根本系统。由于这些器件在电平、速度等方面都完全相容，所以微机系统的硬件结构简单，调试方便。 微机系统中主要I/O口的分配如下：AT89C51的P1口为温度信号输入口，8155的PA口为设定温度的键盘输入口，8155的PB口为打印数据输出口，温度显示信号由AT89C51的串行口P3.0和p3.1输出，执行元件由8155的PC3控制。关键词：微机系统、单片机、电热恒温箱、传感器。A singlechip control system design of the electrothermal co

3、nstant temperature cabinetAbstract Raise continuously along with the living horizontal of people, the society produces the need that the living demand had to the constant temperature control system，Therefore, there be a machine control system design of the electrothermal constant temperature cabinet

4、,The electrothermal constant temperature development cabinet can be provided as section Grind the organization and hospitals makes the germs development, can also teach the kind, ferment and other constant temperature tests use. This text introduced a machine control system of a kind of electrotherm

5、al constant temperature cabinet. Collected the aspect to choose to use the American national company of semiconductor to gather in the temperature turn the semiconductor to sensor LM134. Also can use a product of of the same kind that domestic produce. Gather turn to spread the feeling machine is th

6、e new machine piece, it compare direct make to spread the feeling machine sensitivity with a PN junction higher , linear good, usage convenience. The control system mainly has the three greatest fractions to constitute, is the output that the temperature collects the fraction, the temperature isetro

7、l fraction, control signal to run the fraction respectively. The chips of the system design usage are all the machine piece that the system design usually useses, The chips of the system design usage are all the machine piece that the system design usually useses, the microprocessor adopts the tiny

8、machine AT89C51 of the single slab that the American company of ATMEL release,1 Intel 8155 Be the I/ O expands the machine, constituting the basic system of tiny machine. Because these machines piece is give or get an electric shock even, velocity etc.s are all completely compatible, so the hardware

9、 structure of the tiny machine system is simple, adjusting to try the convenience. The allocation of the main I/ O orifice is as follows in the tiny machine system: AT89C51 of P1 orifice input the orifice for the temperature semaphore,8155 of in order to set the temperature to stir the dish input or

10、ifice, PA orifice 8155 of in order to print the data output orifice, PB orifice the temperature display semaphore from AT89C51 of string go the orifice P3.0 and the p3.1 outputs, run the component from 8155 of PC3 control.Keyword:Tiny machine system, a singlechip, electrothermal constant temperature

11、 cabinet, sensor.目录1 序言1.1 电子恒温箱单片机控制系统研究的理论意义及应用价值.1.2 国内外研究现状.1.3 温度控制的难点.1.4本文研究内容. 系统构成及功能描述.2 温度传感器.2.1 温度传感器的选择.2.2 温度传感器根本原理. 电阻型温度传感器 .1 热电阻. .2 热敏电阻. .3 半导体热电阻温度传感器. 热电偶 半导体PN结型温度传感器. .1 PN结型温度传感器 .2 集成温度传感器.3 单片机的选择.3.1 单片机的开展.3.2 8031单片机性能与应用.3.3 时钟电路与复位电路的设计.3.4 控制器的电路设计. 电路设计的总体方案 温度信号输

12、入通道电路 执行信号输出通道 显示系统的电路设计 键盘接口电路的设计4 系统的抗干扰措施.4.1 干扰的来源. 4.2 抗干扰的措施. 4.3 软件抗干扰措施.5 结论与展望.5.1 结论.5.2 展望.参考文献. 1.序言1.1 电热恒温箱单片机控制系统研究的理论意义及应用价值随着时代的开展以及人民生活水平的提高，人们对传统的育种，发酵等方法感到厌烦，它们不仅复杂而且麻烦。根据市场、用户等方面的实际需求，对恒温箱的要求也有不同，而恒温控制是恒温箱的核心，在允许的温度范围内，以较好设计方法，对于节省电能、延长设备的使用寿命均十分有利。电热恒温箱的实际应用环境，要求我们对它的设计要考虑好其工作的

13、实际环境。而控制温度的先决条件是必须能够精确地掌握实时温度。可见，研制一套切合实际需要的温度检测系统是十分必要的。电热恒温箱的单片机控制系统投入使用后，可精确显示实时温度，还可提供温度打印，为温度控制提供依据，能满足各种实际需要，节省电力和人力，提高生产效率。不仅如此，通过历史温度记录数据的分析还可以对温控系统进行研究，为进一步开发和挖掘更好的电热恒温系统提供更多的理论依据，所以，本系统的研究具有较高的使用价值。参加WTO后，中国已成世界制造业大国。温控、温测设备是制造业过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、机械、电子、医疗、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。所以

14、，温控、温测设备制造厂商一般是伴随着其他相关行业的开展而开展。近几年由于新技术开展和新能源开发利用，而温控、温测又是节能措施中较为关键的设备，各种类型的温控、温测设备新技术越来越受到工业界的重视，因此，无论是从工农业的开展，还是从能源的有效利用，温控、温测技术设备的开展都具有重大意义！全球热能市场需求预测：1100012000亿美圆 。 中国热能市场需求预测：400450亿美圆 。中国参加后，温控、温测设备以及高新技术的巨大商机全面彰显。中国成为世界最重要温控、温测设备市场。控温是工业自动化化领域一个非常常用和重要的方面，由于我国热计量与温控方面的研究处于起步阶段，存在一定程度上的盲目性与试探

15、性，研究中出现了一些问题与争议，比方国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情？国外的温度控制与热计量产品能否在中国完全适用？什么样的系统能够应用计量与温控？面对我国如此大的市场需求，开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠，在到达节能目的的同时，满足舒适需要？等等，这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。在温控与热计量产品方面，一方面，国外大公司如Danfoss、Honeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场，另一方面，国内生产企业全面进入起步阶段，温控与热计量产品的研制开发工作开展很快，已经有多家企业开发出类似产品。本设计就是根据题目的要求设计的带显示的数字温控仪，控温范围

16、为50-150，精度为1。1.3 温度控制的难点温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反响、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产平安，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难，为什么温度会比拟难控。下表列出了温度回路控制困难的一些主要原因：原因举例控制难题温度变化缓慢熔炉，回转窑以及所有热容量大的设备的温度回路响应都很缓慢。对于一个响应缓慢的温度回路，整定控制参数需要经验和耐心。时变如果没有冷却作用，设备的加热过程通常

17、要比放热过程快的多。因此，如果温度经常上下波动，过程对象的时间常数将会有很大的变化。在时间常数和滞后时间变化的情况下，用PID来控制会很容易产生振荡或控制作用缓慢。在一定的操作范围内，可以通过调整PID的参数实现对过程的控制。但是一旦过程动态特性发生改变，PID就有可能失控。非线性控制阀：不灵敏区和阀门的摩擦造成了温度回路的非线性。PID或基于模型的控制器能在其线性范围内正常工作，但是到了非线性区域就失控了。多区域的温度控制玻璃前炉，注塑机及快速热处理设备都需要控制多个区域的温度。由于各区域之间相互影响，使用单输入单输出SISO控制器很难有效地控制这种多输入多输出MIMO的过程。负荷变化大由于

18、蒸汽用量的变化，使得发电厂的蒸汽发生器的蒸汽负荷波动很大。一旦负荷加倍，就需要两倍的热量来保持温度。此时，通常需要施加前馈控制作用。进料量变化大生产番茄浆的番茄热粉碎工艺：卡车倾倒番茄使得番茄进料量剧烈波动。由于进料为固体物质，很难直接检测流量。因此，很难实施前馈控制。燃料波动造纸工业中将木屑作为补给燃料的蒸汽发生器；使用低等级燃料的循环流化床锅炉。因燃料波动而产生的热值变化给温度控制回路带来了很大的扰动。非线性，高速用于晶片处理或材料耐热测试的快度热处理RTP设备。大幅度快速升温和降温。多输入单输出MISO过程楼宇控制系统的空调设备AHU以分层控制的方式操纵加热阀、冷却阀和挡板。单个控制器要

19、处理如加热和冷却等多个过程。当操作变量发生变化，像PID这样的固定参数的控制器就需要重新整定控制器参数。单输入多输出SIMO过程蒸馏塔：需要同时控制塔釜和塔盘温度数据采集电路主要是由温度传感器、A/D转换器、放大电路等组成。温度传感器电路、放大及转换电路，但仅有再沸器进料量这一个操纵变量。控制器只有一个可操纵的变量，但需要控制两个以上的过程变量。像PID那样的单回路控制器的控制效果不够理想。1.4本文研究内容虽然电子恒温控制系统的应用已相当普遍，但是，伴随着新器件的诞生、新技术的涌现，在新需求的推动下，温度控制系统的整体结构、器件选择、数据传送及操作界面等方面仍需不断研究和创新。本文将针对现有

20、系统结构复杂、温度检测精度不高、数据传输距离短、主控操作界面不直观这四个方面问题展开研究。通过对目前各种温度传感器的分析与研究，对温度传感器做出合理选择，到达优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统便于维护的目的。通过对各种信号传输方式的分析和研究，在保证系统结构简洁、具有较高性价比的根底上，提出延长数据输出距离的新方案。通过对系统应实现功能的分析和研究，设计出更好控制系统。本文的研究重点将放在温度传感器的选择、提高测温精度、测温数据的远距离传输这三个方面。总之，本课题研究以期研制出一套简洁实用、精确稳定、使用直观、维修方便的电子恒温箱单片机控制系统。1.5系统构成及功能描述电子恒温箱单片机

21、控制系统主要功能为：温度测量数字量-数据采集-数据处理-控制执行-温度打印，整个系统结构如图1-1所示。AT89C51单片机报警键盘LED显示A/D转换光隔加热电路温度传感器图3-6 系统硬件结构示意图运算放大器打印机整个系统由温度信号输入通道电路、执行信号输出通道、数据处理器单片机、温度显示、以及温度设定、报警、打印电路。2 温度传感器2.1 温度传感器的选择在电热恒温箱的控制系统中温度传感器是非常重要的元件之一，它将负责恒温箱的温度采集，也就是对恒温箱的温度作时时地采集。它把采集到的温度传道控制局部，然后由控制局部分析是否需要加热或是停止加热一系列的动作，由于温度度传感器是电热恒温箱的温度

22、探测器，所以对于温度传感器的性能，包括它的工作稳定性、可靠性及灵敏度等技术指标一定要保证，因为它直接影响到整个控制系统的运行。温度是一个和人们生活环境密切相关的物理量，也是一个在科学试验和生产活动中需要控制的重要物理量。因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，因此也叫做热电式传感器。其中将温度变化转换为电阻变化的元件主要有热电阻、热敏电阻和高分子NTC、PTC热敏电阻，将温度变化转换为电势的传感器主要有热电偶和PN结式传感器，将热辐射转换为电学量的器件有热释电探测器、红外探测器，另外还有集成温度传感器、光纤温度传

23、感器、液晶温度传感器和智能温度传感器等等，种类越来越多，应用亦愈来愈广泛。温度传感器的根本原理电阻型温度传感器.1热电阻利用感温材料，把测量温度转化为测量电阻的测温系统，主要有金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。它们的阻值随温度的升高，有的增加即属于正温度系数热敏电阻，有的减少即属于负温度系数热敏电阻。常用于测量-200500C范围内的温度，同时在5001200C温度范围中也有足够好的特性。1.热电阻的特性大多数金属导体的电阻具有随温度变化的特性，其特性方程如下：Rt = Ro1+a(t-to) 式中Rt表示任意绝对温度t时金属的电阻值；Ro表示基准状态to时

24、的电阻值；a是热敏电阻的温度系数(1/C)。对于绝大多数金属导体，a并不是一个常数，而是有关温度的函数，但在一定的温度范围内，可近似地看成一个常数。不同的金属导体，a保持常数对应的温度范围也不同。一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求:(1)电阻温度系数a要高，这样在同样条件下可加快热响应速度，提高灵敏度。通常纯金属的温度系数比合金大，一般均采用纯金属材料。(2)在测温范围内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准确性。(3)具有良好的输出特性，即在测温范围内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系。(4)具有较高的电阻率，以减少热电阻的体积和重量。(5)具有良好的可加工性，且价格廉价。比拟

25、适宜的材料有铂、铜、铁和镍等。它们的阻值随温度的升高而增大，具有正温度系数。2.2热敏电阻热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料，参加一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器，其电阻对温度变化很明显，电阻温度系数比金属的大很多，被称为热敏电阻。热敏电阻分为三种类型：正温度系数(PTC-Positive Temperature Coefficient)热敏电阻，负温度系数(NTC-Negative tempera-ture Coefficient)热敏电阻和临街温度系数(CTR-Critical temperature Resistor)热敏电阻。它们的共同特点是灵敏度高，从复性好，工

26、艺简单，便于工业化生产，因而本钱较低，应用很广泛。它们的温度特性曲线如图1.热敏电阻特性参数1.标称电阻值(Req o(sup 8( ),sdo 3(25)标称电阻是热敏电阻在25C时的零功率状态下的阻值。其大小取决于热敏电阻的材料和它的几何尺寸。如果环境温度不是25C，而在25C27C之间，那么按下式计算Rt = Req o(sup 8( ),sdo 3(25)1+aeq o(sup 8( ),sdo 3(25)(t-25)2.电阻温度系数(aeq o(sup 8( ),sdo 3(T)用于描述温度的变化引起电阻变化率变化的参数。指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻值变化的相对值。用下式

27、表示aeq o(sup 8( ),sdo 3(T) = 1/Req o(sup 8( ),sdo 3(T)dReq o(sup 8( ),sdo 3(T)/dT*100%式中aeq o(sup 8( ),sdo 3(T)决定了热敏电阻在全部工作范围内对温度的灵敏度，单位为%/C。3.时间常数()尽管热敏电阻的几何尺寸可以制作得很小，但它还是有热惯性的。时间常数就是表征热敏电阻值惯性大小的参数，其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间。4.额定功率(Peq o(sup 8( ),sdo 3(E)指在标准压力(750*133

28、.322 Pa)和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。在实际使用中，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。.3半导体热电阻温度传感器半导体材料的电阻率对温度非常敏感，这显然对半导体器件的可靠性会产生不利影响，但是我们可以利用其电阻率随温度变化的特性制成温度传感器。1.半导体热电阻温度传感器的工作原理有半导体物理知半导体材料的电阻率可以用下式表示=1/(nqeq o(sup 8( ),sdo 3(n)+peq o(sup 8( ),sdo 3(p)式中n,p分别为材料中电子和空穴的浓度；eq o(sup 8( ),sdo 3(n)、eq o(sup 8( ),sdo

29、3(p)分别为电子和空穴的迁移率；q为电子的电量。对于P型半导体材料，空穴浓度远远大于电子浓度，那么上式可以简化为=1/pqeq o(sup 8( ),sdo 3(p)对于N型半导体，电子浓度n远远大于空穴浓度p,那么式可以简化为=1/nqeq o(sup 8( ),sdo 3(n)以上说明，半导体材料的电阻率主要决定于载流子(电子或空穴)浓度和迁移率。而载流子浓度和迁移率都与温度密切相关，应分别进行分析。 热电偶利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器称为热电偶。它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小的特定，可测量局部温度，便于远距离传送，集

30、中检测和自动记录，应用十分广泛。1.热电偶的根本原理1823年赛贝克(Seebeck)发现，把两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流，把这个物理现象称为赛贝克效应，亦称热电效应。将两种不同导体材料A和B，两端连接在一起组成回路，一端温度为To,另一端温度为T(假设 TTo),那么图中微安表上会有一定读数；假设将To触点分开，那么端口产生一个与温度T、To及导体材料A、B有关的电势Eeq o(sup 8( ),sdo 3(AB)(T,To),这个电势就是赛贝克电势，两个端点中温度为T的一端称为工作端，温度为To的一端称为自由端或参考端。回路的总电动势为Eeq o

31、(sup 8( ),sdo 3(AB)(T,To)=eq o(sup 8(T ),sdo 3(To)aTeq o(sup 8( ),sdo 3(AB)dT=Eeq o(sup 8( ),sdo 3(AB)(T)-Eeq o(sup 8( ),sdo 3(AB)(To)式中aeq o(sup 8( ),sdo 3(TAB)为热电势或赛贝克系数，其值与热材料和两接点的温度有关。半导体PN结型温度传感器众所周知，半导体材料和器件的许多性能参数，如电阻率、PN结的反向漏电流和正向电压等都与温度有着密切的关系，利用它们对温度的依赖性制成半导体温敏器件，实现对温度的检测，控制和补偿等功能。半导体温度传感器

32、按其工作原理可分为用半导体单晶体制成的非结型温度传感器和具有PN结的半导体温度传感器两种类型。.1 PN结温度传感器1.二极管温度传感器由PN结理论可知，二极管的正向电流Io与其压降Vf有如下关系Ieq o(sup 8( ),sdo 3(f) = Ieq o(sup 8( ),sdo 3(o)exp(qVeq o(sup 8( ),sdo 3(f)/kT)式中Ieq o(sup 8( ),sdo 3(f)为PN结反向饱和电流；q为电子的电荷量；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。那么 Veq o(sup 8( ),sdo 3(f) = kT/q lnIeq o(sup 8( ),sdo 3(f)/

33、Ieq o(sup 8( ),sdo 3(o)又因反向饱和电流为Io = ATeq o(sup 8(),sdo 3()exp(-qVeq o(sup 8( ),sdo 3(g0)/KT)式中A为发射结面积；是与材料和工艺有关的常数；qVeq o(sup 8( ),sdo 3(g0)为禁带宽度。由上式可得到Veq o(sup 8( ),sdo 3(f) = -Veq o(sup 8( ),sdo 3(g0)-kT/qln B+ln T-ln Ieq o(sup 8( ),sdo 3(f)上式说明，当电流保持不变时，PN结正向压降Veq o(sup 8( ),sdo 3(f)随温度T的上升而下降，

34、近似线性关系。二极管温度传感器是利用PN结正向电压与温度关系的特性而制作的。2.晶体管温度传感器研究发现在晶体管机电机电流恒定的条件下，其发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降，这种温度特性与二极管相似。但对于实际的二极管，其正向电流除扩散电流以外，还包括空间电荷区中的复合电流和外表复合电流成份，后两种电流成分使实际二极管的电压温度特性偏离前面讲的理想近似线性关系。而三机管中虽然发射极电也包括上述三局部，但是只有扩散电流能够到达集电极，后两个电流成分那么作为基极电流漏掉，使晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。1根本原理由晶体管原理可知，NPN晶体管的基极发射极电压Veq o(sup 8

35、( ),sdo 3(be)与温度T的关系为Veq o(sup 8( ),sdo 3(be) = Veq o(sup 8( ),sdo 3(g0)-kT/q(ATeq o(sup 8(),sdo 3()/Ic)式中Veq o(sup 8( ),sdo 3(g0)=Eeq o(sup 8( ),sdo 3(g0)/q(Eg为硅单晶的禁带宽度 );A为发射结面积；是与材料和工艺有关的常数。当Ic一定且T不太高时,Vbe根本与温度成线性关系，当温度较高时，产生一定的非线性偏移。2晶体温度传感器的结构在实现温度检测时，只有温敏三极管本身是不够的，必须附加适当的外围电路，才构成温度传感器。外围电路通常包括

36、参考电压源、运算放大及线性电路等局部。图给出了一种常用的晶体管温度传感器根本电路及其温度特性曲线。该电路由一只运算放大器和一个温敏三极管组成。电容C的作用是防止寄生振荡。温敏三极管作为反响元件跨接在运放的反向输入端和输出端，基极接地。这种接法使得发射极为正偏，而集电极几乎为零偏。这是因为运放的反相输入端为虚地。晶体管的集电极Ic仅取决于电阻Rc和电源电压E即Ic=E/Rc,而与温度无关，从而保证了恒流源工作条件，使电压Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)随T近似线性下降.2集成温度传感器所谓集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器。它与其他温敏元件相比

37、，最大的优点在于输出结果与绝对温度成正比，即是理想的线性输出。同时，体积小，本钱低，使用方便，因此广泛用于温度检测、控制和许多温度补偿电路中。因为温敏晶体管的Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)与绝对温度的关系并非绝对的线性关系，加之在同一批同型号的产品中，Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)值也可能有100mV的离散性，所以集成温度传感器采用对管差分电路，直接给出与绝对温度严格成正比的线性输出。图中给出集成温度传感器的根本原理图。其中BG1和BG2晶体管的杂质分布种类完全相同，且都处于正向工作状态，集电极电流分别为I1和I2。由图可见，即电阻R1上的压降Veq o(s

38、up 8( ),sdo 3(be)为两管的基极发射极压降之差，并有Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)=Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)eq o(sup 8( ),sdo 3(1)-Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)eq o(sup 8( ),sdo 3(2)=kT/qIeq o(sup 8( ),sdo 3(1)/Ieq o(sup 8( ),sdo 3(es)eq o(sup 8( ),sdo 3(1)-kT/qIeq o(sup 8( ),sdo 3(2)/Ieq o(sup 8( ),sdo 3(es)eq o(sup 8( ),sdo 3(2

39、)=kT/qIeq o(sup 8( ),sdo 3(1)/Ieq o(sup 8( ),sdo 3(2)Ieq o(sup 8( ),sdo 3(es)eq o(sup 8( ),sdo 3(2)/Ieq o(sup 8( ),sdo 3(es)eq o(sup 8( ),sdo 3(1)式中Ieq o(sup 8( ),sdo 3(es)eq o(sup 8( ),sdo 3(1)、Ieq o(sup 8( ),sdo 3(es)eq o(sup 8( ),sdo 3(2)为BG1和BG2管的发射极反向饱和电流；假设Ae1、Ae2为BG1和BG2管发射极面积。而Ies2/Ies1=Ae2/

40、Ae1,通过设计可以使BG1、BG2发射极面积之比=Ae2/Ae1是与温度无关的常数，故只要在电路设计中能保证I1/I2是常数，那么式中Vbe就是温度T的理想的线性函数，这就是集成温度传感器的根本原理。1.电压型集成温度传感器1根本原理 电压型集成温度传感器是指输入电压与温度成正比的温度传感器。其核心电路如下图。图中BG3,BG4,BG5PNP晶体管结构和性能完全相同，BG3与BG4组成恒流源，且两者射极电流相同(称为电流镜),所以R1上压降Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)可表示为Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)=kT/q那么R1上电流为Ieq o(sup 8(

41、 ),sdo 3(1)=kT/qReq o(sup 8( ),sdo 3(1)因为BG5与BG3、BG4完全相同，且基极、集电极点位相同，所以BG5的射极电流与 BG3、BG4上相同，所以Vo=Req o(sup 8( ),sdo 3(2)/Req o(sup 8( ),sdo 3(1)kT/q那么上述电路的温度系数为eq o(sup 8( ),sdo 3(T)=dVo/dT=Req o(sup 8( ),sdo 3(2)/Req o(sup 8( ),sdo 3(1)k/q可见只要两个电阻比为常数，就可得到正比于绝对温度的输出电压，而输出电压的温度灵敏度即温度系数eq o(sup 8( ),

42、sdo 3(T)可由电阻比Req o(sup 8( ),sdo 3(2)/Req o(sup 8( ),sdo 3(1)；BG1，BG2的发射极面积比来调整。2电压型集成温度传感器的电路结构及性能常用的电压型集成温度传感器为四端输出型，代表性的型号有SL616,LX5600/5700,LM3911,UP515/610A-C和UP3911等。其线路由基准电压、温度传感器和运算放大器三局部组成。温度传感器是核心电路，原理是输出电压与温度成正比，如图假设将图中输入与输出短接，运算放大器起焕缓冲的作用，输出为10mV/KT,即是PTAT的输出值。假设给输入端加上偏置电压，那么传感器的零输出将由0K移到

43、与偏置电压对应的温度。假设所加偏压为2.73V，零输出温度2.73V/K=273K。只要所选偏置电压为设定10mV/K，传感器的温度到达设定温度T时,输出为0，未到达设定温度时输出不为0，因此与适当的控制电路相接，此电路可作为温度控制使用。外形结构为四个引线封装形式。典型性能参数中，最大工作温度范围为-40eq o(sup 8( ),sdo 3()125eq o(sup 8( ),sdo 3()2%,长期稳定性为0.3%，测量精度为4K。四端电压输出型温度传感器框图2.电流型集成温度传感器AD5901AD590的根本原理AD590原理电路如下图。其中Teq o(sup 8( ),sdo 3(3

44、)和Teq o(sup 8( ),sdo 3(4)集成在一起，作为电流镜向恒流源，使流过Teq o(sup 8( ),sdo 3(1)和Teq o(sup 8( ),sdo 3(2)的电流相等。那么电路的总电流IT表示为Ieq o(sup 8( ),sdo 3(T)=2Ieq o(sup 8( ),sdo 3(1)=2kT/qR为了使IT随温度线性变化，电阻R必须选用具有零温度系数的薄膜电阻。那么电流温度系数为 Ceq o(sup 8( ),sdo 3(T)=dIeq o(sup 8( ),sdo 3(T)/deq o(sup 8( ),sdo 3(T)=2k/qR如果取8，R为358,那么电

45、流温度系数Ceq o(sup 8( ),sdo 3(T)可调整为1uA/K。图1-48为AD590的实际线路图。原理图1-47的T1,T2,T3,T4分别为图1-48中的T9,T11,(T1-T2),(T3-T4)代替。T9和T11的发射结面积比为常数。T1,T2,T3,T4组成典型的恒流负载，为T9,T11提供相等的恒定电流(I1-I2)。T7,T8差分对管的负反响作用使T9和T11的集成电极电压保护相等，T10为T7和T8恒流负载。流过其上电流与T11的相同。调节R5可调节传感器的电流。由于流过R5的电流为流过R6的2倍，那么有 Vbe11+2I9R5=Vbe9+I9R6所以 Vbe= V

46、be11- Vbe9=I9(R6-2R5)那么有 I总=3I9=2kT/q(R6-2R5)=3kT/qR*6图1-47 AD590原理电路图式中R*相当于前面原理电路的电阻R。另外T12的作用是在刚接通电源时，提供一个小电流使传感器开始工作。T6能使T7和T8集电极电压平衡，同时在工 作电压接反时又能起到保护器件的作用。 图1-48 AD590的实用电路图2AD590的结构及性能AD590是美国哈里斯公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器。AD590有3种封装形式：To -52封装、陶瓷封装测量范围为-50+150、To -92封装测温范围0+70。主要性能指标见表，该器件的外形与小功率晶

47、体管相仿，共有3个管脚：1脚为正极，接电流输入；2脚为负极，接电流输出；3脚接管壳。使用时将第3脚接地，可起到屏蔽作用。AD590M的测温范围是-55+150，最大非线性误差为，响应时间仅20us，线性误差低至，功耗约2mW。AD590等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压为+4+30V，测温范围是-55+150范围之内，对应于热力学温度T每变化1K，就输出1uA的电流。在298.2K(对应于)时输出电流恰好等于298.2uA。这说明，其输出电流I(uA)与热力学温度T(K)严格成正比。因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温标数 型号主要技术指标AD590IAD590JAD590KAD

48、590LAD590M最大非线性误差/额定温度系数/uA/K额定输出电流/uA298.2(+)长期温度漂移/月响应时间/us20工作电压范围/V+4+30AD590系列产品主要技术指标AD590电流-温度特性曲线3 单片机的选择3.1 单片机的开展随着电子技术、微电子技术的飞速开展。微型计算机开展很快。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，开展很快。它就是在一块半导体硅片上集成了微处理器CPU，存储器RAM,ROM,EPROM和各种输入、输出接口定时器计数器，并行口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等，这样一块集成电路芯片具有一台计算机的

49、属性，因而被称为单片机微型计算机，简称单片机。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易等优点广泛应用于诸多领域，如工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化、数据采集系统等各个方面。单片机技术的开发和应用技术已逐渐成为一个国家工业开展水平的标志之一。 目前世界上由很多单片机制造公司，如美国的INTEL、ATMEL、MOTOROLA、ZILOG和FAIRCHILD公司；荷兰的PHILIPS公司；德国的SIEMES公司等。他们相继推出了各种的单片机品种，其中ATMEL公司推出的高性能位单片机AT89C51单片机以其优越

50、的性能，成熟的技术和高性价比迅速占了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。3.2 AT89C51单片机性能与应用AT89C51内部包括1个8位CPU、128B RAM,21个特殊功能存放器(SFR)、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，它是一个低功耗、高性能的含有4KB闪烁存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz，制造工艺为CHMOS的单片机一般都采用40只引脚的双列直插封装(DIP)方式，如图40个引脚分别是：Vcc(40引脚)：接+5V电源。Vss(20引脚)：接地。XTAL1(19引脚)：接外部晶体的1个引脚。该引脚内部是

51、1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2(18引脚)：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。假设采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。5RST/Veq o(sup 8( ),sdo 3(PD)(9引脚)：RST(RESET)是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期24个时钟振荡周期的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常运行时，此引脚应为0.5V低电平。Veq o(sup 8( ),sdo 3(PD)为本引脚的

52、第二功能，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中的信息不丧失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。6.ALE (30引脚)：ALE引脚输出为地址锁允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。如果要判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出。如有脉冲信号输

53、出，那么单片机根本上是好的。7.PSEN(29引脚)：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的端。8. /Vpp(31引脚)：功能为内外程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH(对于8051)时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低电平时，单片机那么只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于8031来说，因无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。9.P0口：双向8位三

54、态I/O口，此口为地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。 P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。P2口：8位准双向I/O口，与地址总线高8位复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。 时钟电路与复位电路的设计1. 时钟电路单片机个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍第工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚

55、XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器简称晶振和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，图为AT89C51内部时钟方式的振荡器电路。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。电容的大小会影响振荡器频率的上下、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz12MHz之间。晶振的频率越高，那么系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为了提高温度稳定性应采用温度稳定性好的电容。2. 复位电路AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位

56、和按钮复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。当时钟频率选用6MHz时，C取22uF。按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的，当时钟频率选用6MHz时，C取22uF，Rs取200，Rk取1k。按键脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。 控制器的电路设计.1 电路设计的总体方案系统硬件的总体结构示意图如下图。AT89C51单片机报警键盘LED显示A/D转换光隔加热电路温度传感器图3-6 系统硬件结构示意图运算放大器打印机电路

57、局部以AT89C51单片机为核心部件，考虑来自供电电源、接口电路、程序跑飞等的干扰情况，采取了必要的软、硬件干扰措施。电路板上主要包括数据采集电路、键盘与显示电路、控制输出电路、模拟电源、数字电源、蜂鸣器等。下面就主要的几局部硬件电路设计分别加以论述。温度信号输入通道电路温度信号输入通道的原理图如图，电路主要由温度传感器、运算放大器和模/数A/D转换器三局部组成。有两种方案可供选择：方案一温度传感器采用美国国家半导体公司的集成化半导体传感器LM134。LM134是一种新型的硅集成温度传感器，它不同于一般诸如热敏电阻、温差电偶以及半导体PN结等传统的温度传感器。它是根据下述原理设计而成的，即工作

58、在不同电流密度下的两只相同晶体管，其基、射结的结电压之差Veq o(sup 8( ),sdo 3(be)与绝对温度T严格成正比。而在该器件的突出优点是在整个工作温区范围内-55+125输出电流与被测温度成线性关系，这样，就可省去非线性校正网络，使用简便。此外，它还具有以下特点：1起始电压低低于1.5V，而器件耐压较高，因而电源电压适用范围宽在340V之间。2灵敏度高1uA/K,输出信号幅度大。一般情况下，不必加中间放大就可直接驱动检测系统，例如双积分型A/D转换器5G14433或ICL7106等。从而消除了中间环节所引入的误差，提高测温精度。3输出阻抗高，一般大于10M。所以它相当于一个受温度

59、控制的恒流源，有较强的抗干扰能力，特别适用于长距离测温和控温场合。由于它的恒流特性，能消除电源电压波动和交流纹波对器件工作的影响，从而降低了对电源精度的要求。它比直接用一个PN结作传感器灵敏度高、线性好、使用方便。LM134的工作温度范围为-55+125。LM134的输出电流根据下式计算：Ieq o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)=(T227uV/K)/Req o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)式中，Ieq o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)为流

60、进LM134 V+脚的电流uA，T为绝对温度，Req o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)为传感器外接电阻。假设Req o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)取227，那么Ieq o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)=T1uA/K考虑到引线电阻对外接电阻的影响，通常将Req o(sup 8( ),sdo 3(SE)eq o(sup 8( ),sdo 3(T)与LM134一起安放在探头内，这样即使长线传输不会降低精度。从而可用于遥测温度。但是Req o(s