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毕业设计论文热敏电阻测温设计

JIUJIANGUNIVERSITY

毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

热敏电阻测温

ThermistorRealizationTemperatureMeasurement

院系：

电子工程学院

专业：

电子信息工程

姓名：

年级：

指导教师：

二零零六年五月

前言

温度是一个基本的物理量，几乎所有的科研和生产过程都和温度密切相关。

因而，准确地测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量都是十分重要的。

例如，对于超低温物理和超高温物理现象、等离子加热技术及快速凝固技术的研究，都需要准确地测量和控制温度；又如，在金属冶炼过程中，若温度得到准确控制，则能源消耗可降低17％、劳动生产率可提高18%且金属产量可增加15％。

因此，正确地进行温度的测量与控制，对于新材料的研究与生产、促进科技的发展及生产水平的提高都具有重要的意义。

特别是在工业和农业高速发展的今天，监测并控制环境温度显的十分重要。

温度传感器是信息科学技术的重要基础元器件，热敏电阻在温度传感器中使用最为广泛。

而国内原有的热敏电阻生产厂家，由于技术、设备落后，品种不全，长期不能满足市场需要，国内市场一度被日本产品垄断。

近年，航天和海洋研究部门提出了许多在特殊环境使用的热敏电阻，例如：

高温热敏电阻、低温热敏电阻、深海测温热敏电阻等。

这种热敏电阻对我国航天和军事工业非常重要，直接影响运载火箭发射和卫星姿态控制的方法和质量。

从1996年起，为适应我国家电工业和国防任务的需求，研制成了能适合多种环境条件和用途的高性能的负温度系数热敏电阻及传感器以及相关的产业化生产技术。

本文就是利用简单传感器热敏电阻进行温度测量，采用A/D转换，和单片机控制实现温度测量，整个系统设计成本低。

摘要

热敏电阻测温是现代家电设备（例如热水器）中常用的一种技术，即用来测试外界温度。

本设计将采用传感器、数字和模拟电子、单片机技术实现温度检测和控制，再利用数码管显示温度值。

本系统由四个模块构成：

采样模块，A/D转换模块，控制模块，显示模块。

由于温度信号是一个模拟量，不能直接与单片机交换信息，要由热敏电阻进行采样，放大处理，再经过芯片ADC0809进行A/D转换，然后采用动态扫描方式驱动四位LED数码管显示。

控制模块由AT89S51提供，往AT89S51编程，用软件来实现温度控制和温度的显示.整个电路简单,在这个精度要求不太高测温系统易于实现。

[关键词]：

采样A/D转换数显温控

Abstract

Thethermistormeasuredtemperatureisonekindsoftechnologywhichcommonlyusedinthemodernelectricalappliancesequipment.Takewaterheaterasexample,itnamelyisusedtotesttheopenairtemperature.Thisdesignwillusethesensor,digitalandtheanalogelectron,themonolithicintegratedcircuittechnologyrealizationtemperatureexaminationandthecontrol,againwillusethedigitaltubedemonstrationtemperaturevalue.Thissystemconstitutesbyfourmodulescircuit:

Samplingmodule,A/Dtransformationmodule,controlmodule,demonstrationmodule.Becausethetemperaturesignalisasimulationquantity,cannotdirectlywiththemonolithicintegratedcircuitexchangeinformation,havetocarryonsamplingbythethermistor,enlargementprocessing,againcarriesonA/DtransformationbychipADC0809,thentransformselectsthedynamicscanningmethodtoactuatefourLEDnumericalcodetubedemonstration.ThecontrolmoduleprovidesbyAT89S51,towardtheAT89S51programming,realizesthetemperaturecontrolandthetemperaturewithsoftwarereveals.Theentireelectriccircuitissimple,Itiseasytorealizedinthesystemwhichisnotneedhighaccuracy.

[Keywords]:

SampleA/DtransformationdigitaltubedemonstrationTemperaturecontrol

前言………………………………………………………………………………….....Ⅰ

摘要………………………………………………………………………………….....Ⅱ

Abstract………………………………………………………………………….…III

（一）系统设计………………………………………………………………...…2

1.1热敏电阻测温简介………………………………………………………….…...2

1.2设计任务和要求………………………………………………………………....3

1.3总设计方案………………………………………………………………..……..3

（二）采样模块…………………………………………………………………...4

2.1传感器的选择...........................................................................................……….4

2.2测温电路的组成………………………………………………………………...4

2.2.1采样电路………………………………………………………………………..5

2.2.2放大电路………………………………………………………………………..6

（三）转换模块……………………………………………………………………….7

3.1A/D转换电路设计…………………………………….……………………..…7

3.2主要性能………………………………………………………………………..8

（四）显示模块……………………………………………………………..…….9

4.1数码管驱动……………………………………………………………………...9

4.3设计优点………………………………………………………………………...10

（五）软件设计…………………………………………………………………...11

5.1主程序流程图…………………………………………………………………….11

5.2子程序流程图………………………………………………………………….....12

结束语………………………………………………………………………………..13

附页………………………………………………………………………….……….14

致谢………………………………………………………………….……………..…19

参考文献………………………………………………………………….…………19

（一）系统设计

1.1热敏电阻测温简介

热敏电阻是温度传感器中运用最为广泛的器件。

本设计就是用热敏电阻测量外界温度，其原理是把温度信号转换为电压信号，其输出电压直接与带有ADC的处理器接口相连进行A/D转换，然后通过四位数码管显示被测环境温度。

一般特性

测量对象：

环境温度

采样速度：

约每秒一次

显示：

四位八段数码管显示

1.2设计任务和要求

温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。

采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。

为此，我设计了一种采用AT89S51单片机进行温度测量的系统，设计要求：

（1）通过对热敏电阻特性的分析，建立温度到电阻，电阻到可测参量的转换关系，实现温度的测温功能。

（2）测温范围为0~80℃，灵敏度为50mV/℃

（3）以某一种形式显示温度值

1.3总体设计方案

（1）设计思路

（a）用热敏电阻对环境温度进行采样，热敏电阻将温度的变化转为电阻的变化，电阻是不易测量，设计电桥将电阻转换为电压模拟量，再将电压进行放大处理。

（b）将模拟信号送入A/D转换器，即ADC0809进行处理，由AT89S51软件编程控制，动态驱动四位数码管显示。

（c）显示电路采用动态显示，由于动态显示可以简化硬件电路，降低成本在电路板上容易实现。

我采用四位数码管显示，使之能达到显示范围。

（2）设计原理

该热敏电阻测温由热敏电阻NTC103D等组成的电桥把温度信号转换为电压信号，然后进行放大，放大后将其输出电压直接与ADC0809接口相连，由AT89S51控制进行A/D转换。

最后A/D变换后数字信号也由单片机AT89S51处理后，直接驱动数码管显示被测环境温度。

这就是我设计的热敏电阻测温原理。

（3）原理框图

图1-1

（二）采样模块

2.1传感器的选择

在选择温度传感器时，应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。

目前，应用最广泛的温度传感器是热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结型温度传感器。

     热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻（PTC），负温度系数热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR），在温度测量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC应用较多。

热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，且阻值较大，如应用于野外测量，几十欧的引线电阻对测量影响较小，可忽略不计，非常适合测量微弱温度变化。

但是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。

由于本系统测量中考虑价格等多种因素，选用NTC型热敏电阻较为合适。

2.2测温电路的组成

2.2.1采样电路

由于温度是一个不易测量，必须运用传感技术，将不易测量转换为可测信号。

本设计运用了热敏电阻将温度变化转换在电阻的变化，又应电阻的变化是很难测量出来的，所以必须把电阻转换为电压，在采样电路中我运用了一个惠斯顿电桥实现了这个转换。

图2-1

在图2-1惠斯顿电桥中两端的稳定电压为E,R2，R3为固定电阻，Rp为可变电阻，Uout为电桥输出电压，当Uout=0时，电桥属于平衡状态，此时有

：

（1）

当Uout不为零时，电桥属于不平衡状态，则有

（2）

在一定条件下，调整电桥达到平衡状态，有

（1）式可见，此时电桥的平衡状态与电源无关；当外界条件改变时，传感器的阻值Rt会有相应的变化，这时电桥平衡被破坏，由

（2）式可知，桥路两端的Uout也随之而变，由于桥路的输出电压Uout能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界温度的变化。

综上所述，热敏电阻把温度转化为电压信号的过程，就是通过内阻的变化来反应输出电压的变化，形成一个信号源。

图2-2

根据这个热敏电阻的温度电阻特性，进行参数设计。

本设计中要求测量范围为0~80℃，图中可看出电阻的范围为3~36K，这样桥臂上的滑动变阻器的范围也应在这个范围内，在此采用33K的滑动变阻，根据式子

（1）就确定R2，R3的阻值，都取36K。

2.2.2放大电路

由于桥路输出的Uout变化范围小，不易测量。

为了测量，采用放大电路，使之能明显的表示温度的变化。

在电路2-2中使用了反相比例放大。

图2-3

在电路设计时，电阻的取值应在合适的范围之内，除应满足电压传递比要求外，还要考虑运放输出电流的限制，并使运放非理想因素的影响尽可能地小。

此外，电阻本身的功耗不能超过其额定值。

Rf的取值应使运放的输出电流小于其最大值。

我们取图2-4中的固定电阻为200K左右。

通过

（2）式，我们能计算出当温度为80℃时，输出电压大概为2V，电压则需放大一倍，则Rf最大电阻为400K左右，根据这些分析，设计出了如下的总测温电路图：

图2-4

这个电路的测温范围为0~80℃,相应输出0~4V,灵敏度为50mV/℃。

热敏电阻在高温时电阻值较小，低温时电阻值较大，为了防止过大自身发热，电流一般为1mA，0℃时调节RP1使输出为0，在80℃时，调节RP2，使输出为4V。

（三）转换模块

3.1A/D转换电路图

此电路是本设计的关键部分，承担着此次设计的A/D转换部分，采用的芯片是ADC0809和单片机AT89S51。

ADC0809主要功能是进行A/D转换，AT89S51主要功能是控制A/D转换，P3端口用作ADC0809转换控制，P0端口作为A/D转换数据输入。

图3-1

3.2主要性能分析

（1）A/D转换：

（a）首先要选择哪个路模拟电路，例如：

选择IN0通道，电路ADDA，ADDB，ADDC均为低电平，当ALE为高电平时，地址所存器输出IN0上模拟电压送到输入端Vin

（b）ADC0809的6脚与AT89S51的ST（P3.0）相连，其为测试控制，意味着当输入一个2μS宽度电平脉冲时，就开始A/D转换。

进行A/D转换时，采用查询EOC（P3.2）的标志信号来检测A/D转换是否完毕，完毕后OE（P3.1脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据通过P0端口读入

（c）由于ADC0809内部没有时钟信号，所需信号必须由外界提供，所以在进行转换时要外界提供一个CLK信号进行完全的A/D转换，这个信号由软件产生，ADC0809的CLK是接在AT89S51单片机的P3.3端口上，也就是要求从P3.3输出CLK信号供ADC0809使用。

通常使用频率为500KHZ。

（d）由于ADC0809的参考电压VREF＝VCC，所以转换之后的数据要经过据处理,用数字基准电压作为标准，计算基准电压与电源电压之比，并纠正其余的输入值，才能输入到P0口,这样实际显示的电压值为　（D/256*VREF）

（2）数据输出：

ADC0809进行转换后的数据,由数字量输出线D0~D7输出，D7输出最高位，D0输出最低位，与单片机AT89S51的P0口相连。

（3）振荡电路：

本电路对内部时钟有要求，控制A/D转化数字处理，所以采用晶体振荡方式，晶振频率为12MHZ，电容C1、C2取30PF，AT89S51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），ADC0809的工作频率范围为10KHZ-1280KHZ。

当频率为500KHZ时，其转速为128us。

（4）读写端：

P3.6端口接一个LED（D1），当外部数据存储器被写时，D1亮，P3.7端口接LED（D2），当外部数据存储器被读时，D2亮。

（四）显示

前一章讲到A/D转换后的数据送到了单片机的P0口，数据如何显示出来，就是本章要设计的内容。

4.1数码管驱动与电路图

本次显示电路采用的是四位数码显示，由AT89S51直接控制，将检测到的温度直接显示到连接AT89S51的四个数码管上，由于AT89S51具有双工UART串行通道，可以用之驱动四位数码管。

四位数码管的接口电路是把所有数码管的所有笔划段同名端A,B,C,D,E,F,G,DP分别与单片机AT89S51的P0.0--0.7口相连，而每一个数码管的公共极是各自独立地受I/O线控制，S1、S2、S3、S4就是控制线。

单片机向字段输出口送出字形码时，所有的数码管接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管亮，则取决于公共端，而这一端是由I/O控制的，电路图如下：

图4-1

4.2动态扫描方式

（1）如何扫描

数码管的显示控制方式——动态扫描显示接口，它是单片机中应用最为广泛的显示方式之一。

本设计采用的就是这种扫描方式，动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个数码管的公共端，即各数码管是由脉冲电流导电的（导电时间一般为1ms）。

当所有数码管依次显示一遍后，软件控制循环，使每位显示分时点亮。

本电路中共阳极四位数码管，有四个数码管1、2、3、4，设计原理是先驱动第一个数码管1，然后按顺序依次驱动2、3、4，两次显示的时间间隔为32ms,这时四位数码管的扫描频率f就是128HZ,设计定时器的时间周期T＝1/f。

这样设计数码管的扫描频率和周期就能使数码管看上去是同时点亮的，察觉不出闪烁现象。

由于数码管具有余辉性及人眼具有视觉暂留效应，所以适当选取循环扫描效率十分重要。

在这个设计中其实扫描频率128HZ实际上是LED驱动扫描的最小频率，若低于此频率，则有可能导致LED的闪烁。

当然，f也不可能越高越好，扫描的频率太高，相对而言，每一组LED的点亮的时间就越短，因此有可能导致LED的亮度不够或显示效果不理想等一些问题。

当然提高LED的驱动电压也可以弥补由此造成的亮度不够的问题。

所以在这个显示电路中数码管的最理想的频率是稍大于128HZ.

（2）设计特点

本设计显示电路包括AT89S51驱动芯片和一个四联级式共阳数码管，具有显示醒目、直观的优点。

采用动态显示这种方法不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段是并联使用的，因而大大简化了硬件电路,降低成本,在电路板上容易实现。

动态显示最重要的是解决好亮度和闪烁问题.但是由于所有的LED模块公用了驱动端，因此LED的驱动不再像静态法一样为每个LED所独享，显示驱动的软件设计没有静态显示驱动简单这种方法,不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段是并联使用的，因而大大简化了硬件电路。

动态显示最重要的是解决好亮度和闪烁问题

（五）软件设计

5.1系统软件

系统软件是整个系统的灵魂，使整个硬件电路活起来。

这里简单说明软件编程的过程。

首先初始化，设置各I/O口方向、定时器工作模式和同步串行口工作模式等，单片机控制温度采集，选择一路通道进行A/D转换，然后判断是否转换结束，如果结束P0就得到数据，CLK信号对数据进行处理，处理后把数据放到数码管上显示。

其主流程图如下

图5-1

5.2子程序

（1）温度采集程序

ADC0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC信号在START的下降沿10us后才开始变为无效的低电平。

这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC输出高电平，再由OE变为高电平来输出转换数据，我们在设计程序时可以利用EOC信号通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据。

流程图如下：

图5-2

（2）显示子程序

   显示电路有四个数码管，采用的是动态扫描，所以必须逐个驱动数码管，显示温度数据，逐个驱动数码管时还要调用延时子程序，因为两个数码管显示相隔时间为32ms,人眼才无法分辨，所以每个数码管相隔32ms点亮，循环点亮四个数码管，四个数码管都点亮了，才结束程序，没有完成就要继续获取温度数据。

程序流程图如下：

图5-3

结束语：

从整个电路来分析，有硬件简单，成本低，调试简单等优点，但还上存在许多不足之处有待改进，比如测量精度不高。

（1）本电路有四个集成模块，热敏电阻温度采集电路，ADC0809转换，AT89S51控制，四位数码管显示，本电路的个个I/O口都得到了运用，

了节省材料

（2）本电路是采用检测电压的变化来达到测温的目的，但是测量精度不高，只有5mv/℃,有待改进。

本设计结合传感器和单片机技术，利用热敏电阻和单片机ADC0809、AT89S51，还有数码管，完成了热敏电阻测温设计。

本设计运用的知识在电子领域都应用非常广泛，随着电子技术的飞速发展，传感器和单片机技术将越来越成熟，新的电子产品将层出不穷，更向更智能化的方向发展，电子领域明天将会更明媚。

附页:

硬件电路

参考文献

[1]谭福年《常用传感器电路》电子科技大学出版社 

[2]何希才《传感器及其应用电路》电子工业出版社

[3]李道华《传感器电路分析与设计》武汉大学出版社

[4]王雪文《传感器原理及应用》北京航空航天大学出版社 

[5]胡大可《微处理机原理及应用》浙江大学出版社

[6]楼然苗《51系列单片机设计实例》北京航空航天大学出版社 

[7]王幸之等编著《AT89系列单片机原理与接口技术》 北京航空航天大学出版社

[8]《数码管的驱动原理》

[9]51单片机网站

致谢

经过长时间的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是非常难的。

在这里首先要感谢我的指导老师吴德会老师。

吴老师平日里工作繁忙，但在我做毕业设计的每个阶段，都给予了我悉心的指导。

在设计过程中难免会遇到一些问题，吴老师都一一给我解答，使我顺利的完成了毕业设计。

在这我要再一次感谢吴老师，谢谢他对我的指导，使我顺利的完成了这次毕业设计。

然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下电子专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。

此次毕业设计才会顺利完成。

最后感谢电子学院和我的母校—九江学院四年来对我的大力栽培。