基于單片機熱敏電阻溫度采集.doc

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1、畢業(yè)設計說明書 第一章 序論 1.1課題研究的意義 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。單片機在工業(yè)生產(chǎn)中的應用尤其廣泛，溫度采集系統(tǒng)則是單片機在工業(yè)生產(chǎn)中的一個典型的應用。采用單片機對溫度進行采集不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，單片機已經(jīng)以其體積小、功能強、價格低、使用靈活等特點顯示出了明顯的優(yōu)勢和廣泛的應用前景。作為一名測控技術與儀器專業(yè)的學生，理應對單片機有更深的了解

2、，此次針對89C51型單片機在溫度控制方面的應用，對溫度恒定系統(tǒng)進行了分析并給出了具體的解決方案。 1.2課題研究的背景和當今發(fā)展趨勢 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始于20世紀50年代，1965年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標是測試中不依靠相關的測試文件，由非熟練人員操作，并且測試任務由測試設備高速自動控制完成。由于該種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高速屬性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務，因而得到了初步的認可。 20世紀70年代中后期，隨著微型機的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機融為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集

3、系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 20世紀80年代隨著計算機的普及應用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了，通用的數(shù)據(jù)采集與自動化測試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀器儀表和采集器、通用接口總線和計算機等構成。例如：國際標準ICE625（GPIB）接口總線系統(tǒng)就是一個典型的代表。這類系統(tǒng)主要用于實驗室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應用。 時至今日，由于集成電路制造技術的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化、編程、修改、擴充

4、等方面，變得比過去更加容易。A/D變換器的技術發(fā)展，允許以更高的分辨率，更快的采集速度和更低的成本，實現(xiàn)更精密的測量。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種較為肯定的發(fā)展趨勢是：把個人計算機同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結合起來，實現(xiàn)測量和控制任務的自動化 隨著科學技術的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集技術的廣泛應用，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各項指 標，如采樣率、分辨率、存儲深度、數(shù)字信號處理的、抗干擾能力等方面提出了越來越高的要求，這時超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應運而生。 單片機的發(fā)展方向是不斷強化控制功能（即將更多的外圍電路單元集成到CPU）、低功耗（一邊電池供電）、低成本（例如在CPU芯片內(nèi)，按用途分別集成成不同的電路，形成系列化產(chǎn)品，

5、這樣既能滿足了不同領域的需求又降低了成本） 單片機主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣，如高溫、強電磁干擾，甚至含有腐蝕性氣體，再太空中工作的單片機控制系統(tǒng)，還必須具備抗輻射能力，因而決定了單片機CPU與通用微機CPU具有不同技術的特征和發(fā)展方向：1抗干擾性強2可靠性高3控制能里往往很強指令系統(tǒng)比微機系統(tǒng)簡單5更新?lián)Q代速度比通用微機吃力慢的多。 本文是基于單片機熱敏電阻電路設計 第二章總體設計 1 系統(tǒng)功能 溫度采集電路 89C51 AD 轉(zhuǎn)換 LED顯示 溫度 計算 2 需求設計分析 2.1 總體需求 結合當前我的設計及

6、設計情況，具體以下任務需求：利用AT89C51單片機和負溫度系數(shù)熱面電阻的組合編程實現(xiàn)溫度實時測量和LED顯示。溫度的測量范圍為-20℃到80℃，當按下顯示溫度的鍵時，通過檢查熱敏電阻兩端電壓，經(jīng)過計算得到實時電壓，再顯示出來。 2.2硬件的需求 基于設計需要并從經(jīng)濟角度考慮，我選擇了89C51單片機作為硬件支持，它是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機大有4K字節(jié)的可以反復擦寫的程序寄存器(PENROM)。和128字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），這種器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丟失存儲技術生產(chǎn)，并且能夠與MCS-51系列的單片機兼容。片內(nèi)含有8位中央處理器和閃爍存儲單元，

7、由較強的功能的89C51單片機能夠被應用到控制領域中。 2.3軟件的需求 選定了硬件后就需要編寫軟件了，本設計選用的編程軟件為C語言。同硬件的設計一樣，軟件也是分塊進行的。主要包括以下部分的程序：系統(tǒng)初始化程序、鍵盤掃描程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、溫度計算程序、各部分程序由主程序（main.c）調(diào)用，組成一個整體。 2.4 單片機選擇 AT89C51作為溫度測試系統(tǒng)設計的核心器件。該器件時INTEL公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機中的基礎產(chǎn)品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術，具有高性能的8位單片機，屬于標準的MCS-51的CMOS產(chǎn)品。不僅結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功

8、耗特征，而且繼承和擴展了MCS-48單片機的體系結構和指令系統(tǒng)。 （1） 中央處理器ATC51簡介 ① AT8951的特點 AT89C51具有以下幾個特點： AT80C51與MCS-51系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容； 片內(nèi)有4K字節(jié)在線可重復編程快擦寫程序存儲器； 全靜態(tài)工作，工作范圍：0Hz~24MHz； 三級程序存儲器加密； 1288位內(nèi)部RAM； 32位雙向輸入輸出線； 兩個十六位定時器、計數(shù)器 五個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級； 一個全雙工的異步串行口； 間歇和掉電兩種工作方式。 ② AT89C51的功能描述 AT89C51時一種低損耗、高性能、CMO

9、S八位微處理器，片內(nèi)有4K字節(jié)的在線可重復編寫程序、快速擦除速寫入程序的儲存器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為10年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可以完全替代MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。 AT89C51可構成正真的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于4K，四個I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而且擦鞋時間僅需10毫秒，僅為8751/87C51的擦出時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不

10、拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。工作電壓范圍寬（2.7V-6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在0Hz-24MHz之間，比8751/87C51等51系列的6MHz-12MHz更具有靈活性，系統(tǒng)能快能慢。AT89C51芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口時三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因為只有該口直接用于對外部存儲器的讀/寫操作。 ③AT89C51引腳功能 3傳感器工作原理與性能 3.1傳感器的工作原理 傳感器的核心元件是熱敏電阻。熱敏電阻時雙端溫度敏感原件。當溫度發(fā)生變化時熱敏電阻的阻值也發(fā)生變化，在不同溫度下，熱敏電阻都有一

11、個固定的阻值與溫度相對應，并且只要熱敏電阻沒有損壞，這種對應關系具有重復性。熱敏電阻阻值隨溫度變化的響應值是高度的非線性響應。在熱敏電阻的量程范圍內(nèi)，溫度較小的變化都會引起熱敏電阻阻值相對較大的變化，絕大數(shù)熱敏電阻具有負溫度系數(shù)特性，即隨著溫度的升高，電阻值下降；其特性曲線如下 圖3.1 熱敏電阻溫度特性曲線 熱敏電阻的阻值---溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，因此在使用時要進行線性化處理，線性化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復雜。為此常在要求不高的一般應用中，作出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關系的假定，以簡化計算。熱敏電阻的應用是為了感知溫度為此給熱敏電阻以

12、恒定的電流，測量電阻兩端就得到一個電壓，然后就可以通過下列公式求得溫度：T = T0 – KVT 其中：T------被測溫度 T0------與熱敏電阻特性有關的溫度參數(shù) K-----與熱敏電阻特性有關的系數(shù) VT------熱敏電阻兩端的電壓 根據(jù)這一公式，如能測得熱敏電阻兩端的電壓VT，再知道參數(shù)T0和系數(shù)K，則可計算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，也就是被測的溫度。 3.2 傳感器的特性 Radios Shack 熱敏電阻（#271-110A）就具有負溫度系數(shù)特性。這種傳感器工作在低溫端時，負溫度系數(shù)引起電阻阻值的相對變化大約是-5%。隨著溫度的升高，負溫度系數(shù)也有所下降，熱敏電阻

13、工作在量程的高溫端時，負溫度系數(shù)引起電阻阻值的相對的變化只有大約-2%。 熱敏電阻的有效輸出為電阻值，由于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的是電壓信號，因此首先要將熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，這一轉(zhuǎn)換通常可以用電流源構成的激勵電路來完成。將熱敏電阻安裝在電流源所在支路中，在熱敏電阻兩端會產(chǎn)生與其成比例的電壓值。由于電流過電阻會產(chǎn)生熱效應，我們要注意不能由于熱效應而是熱敏電阻自身產(chǎn)生很大的熱量，從而引起熱敏電阻的阻值的變化。一般情況下，當電流足夠一小時，電流流過熱敏電阻所產(chǎn)生的熱量可以忽略不計。我們假定熱敏電阻的耗散常數(shù)為典型值，一般在1MV/℃左右，為了使測量精度保證在1.0℃以內(nèi)，電流源的電流必須足夠小

14、，以保證電流流過熱敏電阻產(chǎn)生的熱量在1mW以下。根據(jù)以上分析，當電流源值不超過10uA時，可以滿足以上要求，總而言之，只要電流源的電流足夠小，熱敏電阻兩端的電壓就與其阻值成比例關系而不會由于電阻的熱效應引起太大的測量誤差。接下來用放大器AD524讀取熱敏電阻兩端的電壓差值，并且設置合適的增益，將電壓差值調(diào)節(jié)與A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍相匹配。熱敏電阻的激勵電路與信號調(diào)節(jié)電路如3-3所示。 本系統(tǒng)采用的是Radios Shack 271-110A型熱敏電阻，溫度變化與熱敏電阻阻值變化為非線性的關系，其不同溫度的阻值如下圖表所示： Radio Shack 271-110A型熱敏電阻在其溫度范圍內(nèi)的輸

15、出值： 溫度 熱敏電阻阻值 溫度 熱敏電阻阻值 -50℃ 329.2Ω 25℃ 10.00Ω -45℃ 247.5Ω 30℃ 8.313Ω -40℃ 188.4Ω 35℃ 6.941Ω -35℃ 111.3Ω 40℃ 5.828Ω -25℃ 86.39Ω 45℃ 4.912Ω -20℃ 67.74Ω 50℃ 4.161Ω -15℃ 53.39Ω 55℃ 3.537Ω -10℃ 42.45Ω 60℃ 3.021Ω -5℃ 22.05Ω 65℃ 2.589Ω 0℃ 27.28Ω 70℃ 2.229Ω 5℃

16、 22.05Ω 75℃ 1.924Ω 10℃ 17.96Ω 80℃ 1.669Ω 15℃ 14.68Ω 85℃ 1.451Ω 20℃ 12.09Ω 90℃ 1.108Ω 表3-2 3.3放大電路設計 3.3.1 放大電路的原理 傳感器輔助電路兩端電壓變化很小，有時不足以驅(qū)動下一級電路，所以要對其進行放大，使信號足以驅(qū)動下一級電路。 熱敏電阻的電流源電路由一個參考電壓，一個運算放大器級三個電阻組成。這些原件可以提供0.001mA的電流。0.001mA的電流流過熱敏電阻，使得其兩

17、端的電壓值為熱敏電阻阻值的1/100000。在-50℃時，熱敏電阻兩端的 電壓為3.292V，當溫度達到100℃時，電壓為0.0675975V。該電壓輸入到儀用放大器AD524BD中，由于熱敏電阻上有大小為1V的浮地電壓，因此儀用放大器可以讀出熱敏電阻兩端的電壓，該電壓值其實是熱敏電阻兩端的電壓差值，抵消了1V浮地電壓。只要輸入電壓不超過儀用放大器的工作電壓容限，熱敏電阻兩端的電壓都能測出來。將儀用放大器的第6個管腳接地，就可以將信號的參考點準確接地，圖中用儀用放大器的增益設為10，因此，它的輸出為熱敏電阻兩端電壓的10倍，也就是說，對于理想的儀用放大器，在-50℃時，其速出為32.92V。當

18、溫度為100℃時，其輸出為0.075957V。儀用放大器的工作電壓輸入容限為10V，A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入時0-5V，而溫度為-50℃時，32.92V的輸出已經(jīng)大大超出了放大器的工作容限，因此噶溫度測量系統(tǒng)能有效地測量的溫度下線為-10℃，此時儀用放大器送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為4.245V在放大器的工作容限之內(nèi)。溫度量程的上限對應于最小的電壓值，因此不受放大器工作電壓容限及A/D轉(zhuǎn)換器量程的影響。 3-3 放大器的原理圖 3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設計 3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路左右 該系統(tǒng)的核心部分是單片機，單片機只能處理數(shù)字信號。通過傳感器再放大所采集的信號為模擬電壓信號，

19、直接送入單片機是無法進行處理的。所以加入一塊A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809來進行摸----數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號被送入單片機進行處理。 3.4.2 ADC0809芯片功能與性能指標 ADC0809的管腳圖 ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳，個管腳的功能分為四組簡述如下： （一）.模擬信號輸入 IN0-IN7 IN0-IN7 為8路模擬電壓輸入線，加在模擬開關上，工作時采用時分割的方式輪流進行AD轉(zhuǎn)換。 （二）. 地址輸入和控制線 地址輸入和控制線共4條，其中ADDA、ADDB、和ADDC、為地址輸入線（Address A）,用于選擇IN0~IN

20、7上那條路模擬電壓送給比較器進行AD轉(zhuǎn)換。ALE(Address Lock Enable)為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，ADDA、ADDB、ADDC三條地址上地址信號得以鎖存，經(jīng)譯碼器控制八路模擬開關工作。 （三）. 數(shù)字量輸出及控制線（11條） STRT為“啟動脈沖”輸入線，該線正脈沖由CPU送來，寬度應大于100μs以上應清零，下降沿啟動ADC工作。EOC為轉(zhuǎn)換結果輸出線，該線高電平表示AD轉(zhuǎn)換已經(jīng)結束，數(shù)字量以鎖入“三態(tài)輸出鎖寄存器”。D0-D7為數(shù)字量輸出線，D7為最高位。EOUT為“輸出允許”線，高電平時能是D0-D7引腳上輸出處轉(zhuǎn)換后數(shù)的字量。

21、 (四). 電源線及其他（5條） CLOCK為時鐘輸出線，用于ADC0809提供逐次比較所需，一般為60kHz時鐘脈沖。VDD為+5V電源輸入線，GND為地線。+VREF和-VREF為參考輸入線，用于給電阻網(wǎng)絡供給標準電壓。+VREF常和VDD相連，-VREF常接地。 3.4．3 ADC0809應用說明 （一）. ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT8951單片機直接相連 （二）. 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 （三）. 送要轉(zhuǎn)換的那一通道的地址到A,B,C端口上。 （四）. 在ST端給出一個至少有100μs寬的正脈沖信號。 （

22、五）. 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 （六）. 當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。 3.5 ADC0809與單片機的接口設計 3.5.1ADC0809與89C51接口電路圖 圖3-4 ADC0809與單片機的接口圖 如圖所示為單片機與ADC0809的接口連接圖。0809的數(shù)據(jù)輸出口2.1-2.8分別與單片機P1口P1.0~P1.7連接，作為數(shù)據(jù)總線。單片機O1口每秒針對0809數(shù)據(jù)輸出口進行5次讀書操作，讀取的數(shù)據(jù)被送入單片機通過PID核心算法進行處理分析。因為系數(shù)只用到ADC0809輸入口的1N-0口，所

23、以ADD-A、ADD-B、ADD-C都是接低電平。0809的EOC管腳與單片機P3.3連接，當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) 3.6LED顯示設置 3.6.1 LED顯示器結構與原理 LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器件。該系統(tǒng)中采用的是七段LED。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，該系統(tǒng)選用的是共陰極七段LED顯示器。七段LED顯示器中有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管構成7筆字形“8”。一個發(fā)光二極管構成小數(shù)點。七段LED顯示器的管腳如圖4—2所示。從a~g管腳輸入不同的8位二進制數(shù)，可顯示不同的數(shù)字或字符。LED的電流通常較小，一般均需在回路

24、中接上限流電阻。 3.6．2LED顯示器的顯示方式 該系統(tǒng)共用六個七段LED顯示器，采用動態(tài)顯示方式。LED動態(tài)顯示是將所有位的段選線并接在一個I/O口線上，共陰極端分別由相應的I/O口線控制。在任一時刻，只有一位LED是點亮的，但只要掃描的頻率足夠高(一般大于25Hz)，由于人眼的視覺暫留特性，直觀上感覺卻是連續(xù)點亮的。 如圖4—2所示：所有位的段選線并接在8255的PA口線上，共陰極端分別由PB口中的PB0~PB5控制。在任一時刻，PB0~PB5中只有一條線是低電平，即只有一只LED被選通，此時刻單片機的P0口通過8255的PA口將相應的數(shù)據(jù)傳輸給被選通的LED，使LED點亮。下

25、一時刻另一只LED被選通，單片機同樣傳輸給其相應數(shù)據(jù)使其點亮。如此逐一進行掃描，6只LED顯示器逐一被點亮，由于掃描頻率很高，所以視覺上6只LED都被點亮了，并無閃爍。這樣系統(tǒng)就實現(xiàn)了顯示功能。 4單片機串行通信 MCS-51單片機內(nèi)部有一個全雙工的串行通信口，即串行接收和發(fā)送緩沖器（SBUF），這兩個在物理上獨立的接收發(fā)送器，既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但接收緩沖器只能讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入不能讀出，它們的地址為99H。這個通信口既可以用于網(wǎng)絡通信，亦可實現(xiàn)串行異步通信，還可以構成同步移位寄存器使用。如果在傳行口的輸入輸出引腳上加上電平轉(zhuǎn)換器，就可方便地構成標準的RS-2

26、32接口。 RS-232是早期為公用電話網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信而制定的標準，其邏輯電平與TTL\CMOS電平完全不同。邏輯“0”規(guī)定為+5—15V之間，邏輯“1”規(guī)定為-5~-15V之間。由于RS-232發(fā)送和接收之間有公共地，傳輸采用非平衡模式，因此共模噪聲會耦合到信號系統(tǒng)中，其標準建議的最大通信距離為15米。但實際應用中我們bit/s的速率下可以達到300米。 RS-232規(guī)定的電平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換可以采用MAX232芯片。 采用MAX232芯片的轉(zhuǎn)換接口MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路驅(qū)動器和接收器的RS-232轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232接口所需的10V電壓，尤其適用于沒有12V的單電源系統(tǒng)。 單片機串口通信程序的實現(xiàn)方法，實際應用中，單片機通信程序一般采用中 微機通信，微機作為主控方。當單片機收到微機發(fā)送的地址信號時，便轉(zhuǎn)入中斷 程序，向微機發(fā)送數(shù)據(jù)。