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基于热敏电阻的数字温度计课程设计

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2020年4月19日
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目录
1 绪论1
2 系统硬件电路设计3
2.1 测温电桥电路3
2.2 信号放大电路………...………………………………................................6
2.3 AD转换电路………………………………………..…………….....................7
2.4 控制电路………………………………………..………................................9
2.5 声光报警电路………………………………………………………………………10
2.6 显示电路………………………………………………………………………………11
2.7 电源电路………………………………………………………………………………12
3 系统软件设计 15
4 总结与展望…………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………..……………………………..17

1概述
随着以知识经济为特征的信息化时代的到来人们对仪器仪表的认识更加深入，温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度的测量的要求也越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高，因此，温度测量及其测量技术的研究也是一个很重要的课题。
当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，大致能够包括以下几种方法：
1， 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计
2， 利用热电效应技术制成的温度检测元件
3， 利用热阻效应技术制成的温度计
4， 利用热辐射原理制成的高温计
5， 利用声学原理进行温度测量
本系统的温度测量采用的就是热阻效应。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，但该电压很小。将输出的微弱电压信号经过OP07放大，将放大后的信号输入AD转换芯片，
进行A/D转换后，就能够用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就能够将被测温度显示出来。
系统硬件原理图如图1—1
单

片

机

声光

报警

模块
AD
转
换
模
块

测
温
模
块

信号
放大
模块

显示
模
块

电 源 模 块

图1—1系统框图

系统硬件原理图如图1—1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能够贝单片机识别和运算的数字信号，然后在经过软件编程经过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：
AT89C51 单片机系统是数字霍尔电流表的核心部分，主要任务有：控制TLC2543，为其提供合适的时序，使其正常工作和采集模数转换后的数字信号，使用软件滤除干扰，并对数字信号进行计算，然后输出显示。
(4).电源电路部分：
该部分电路负责将输入的9V~12V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，TLC2543等供电。
(5).显示电路，声光报警电路：
显示电路的作用是将测量的温度实时显示出来，当测量温度超过限定值时报警电路将发出声光进行报警。

2 数字温度计系统硬件电路设计
系统由五大部分组成：（1）测温电桥温量电路；（2）数据采集，滤波，放大，AD转换电路；（3）单片机AT89C51控制及数据计算电路；（4）电源电路；（5）温度实时显示电路和声光报警电路。

2.1测温电桥电路
本次课程设计的测温电路为测温电桥，测温电桥的主要部分是热敏电阻。
热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（当前最高可达到 ℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其它温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。
本次设计采用的是正温度系数的热电阻PT100，它是最常见的温度传感器之一，与其它热敏电阻相比，它的主要优点是测量精度高（可精确到0.1摄氏度），线性度好，测量范围广（-200℃～650℃），性能稳定，使用方便，完全满足设计要求，因此我最终选择铂电阻PT100作为传感器。PT100温度传感器属于正电阻系数，其电阻阻值与温度的关系能够近似用下式表示：
在0～650℃范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2)
在-200～0℃范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)
式中A、B、C 为常数，其中
A=3.96847×10-3； B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12； 图2-2 电阻温度曲线图
由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，电阻温度曲线如图2-2 所示，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)
其中α=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为华氏温度。
Pt100是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，一般是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。
测温电路原理图如下图所示：

图3.2
如上图所示，热敏电阻RT和RA1，RB1，RC1，以及可变电阻R2组成一个测温电桥，在温度为20度时，调节R2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。

电桥的分析：

电桥原理图：

电桥灵敏度的分析：
当各桥臂发生微小变化时，电桥失去平衡，其输出为：

2.2信号放大电路
本次课程设计，放大模块采用的是OP07放大集成电路。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A 最大为25μV ，因此 OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA） 和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
OP07具有以下特点：
超低偏移： 150μV最大 。
低输入偏置电流： 1.8nA 。
低失调电压漂移： 0.5μV/℃ 。
超稳定，时间： 2μV/month 最大
高电源电压范围： ±3V至±22V
OP07的引脚分布如下图所示：

OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+。

OP07放大电路的电路原理图如下所示：

如上图所示，将测温电桥的输出用差分的方式输入OP07，放大60倍以获得合适的AD输入电压。

2.3 AD转换电路
此次课程设计的AD转换电路，负责将放大后的模拟电压信号转化为可供单片机识别的数字信号。主要采用TLC2543. TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
2TLC2543的特点：

（1）12位分辩率A/D转换器；
（2）在工作温度范围内10μs转换时间；
（3）11个模拟输入通道；
（4）3路内置自测试方式；
（5）采样率为66kbps；
（6）线性误差±1LSBmax；
（7）有转换结束输出EOC；
（8）具有单、双极性输出；
（9）可编程的MSB或LSB前导；
（10）可编程输出数据长度。

TLC2543的引脚分布如下图所示：

引脚说明
（1）电源引脚
Vcc ,20脚:正电源端,一般接+5V。GND,10脚:地。
REF+,14脚:正基准电压端,一般接+5V。
REF-,13脚:负基准电压端,一般接地。
(2)控制引脚
CS,15脚:片选端,由高到低有效,由外部输入。
EOC,19脚:转换结束端,向外部输出。
I/O CLOCK,18脚:控制输入输出的时钟,由外部输入。
(3)模拟输入引脚
AIN0～AIN10 ,1～9脚、11～12脚:11路模拟输入端,输入电压范围:0.3V～Vcc+0.3V。
(4)控制字输入引脚
DATA TN PUT,17脚:控制字输入端,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。
(5)转换数据输出引脚
DATA OUT ,16脚:A/ D 转换结果输出的3态串行输出端。
TLC2543在本设计的电路原理图如下所示：

2.4 控制电路
AT89C51单片机最小系统由AT89C51单片机及其外围电路组成，是数字温度计系统的核心。
AT89C51单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89C51单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用是控制TLC2543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。AT89C51单片机各个引脚分布如图所示：

图1 图2

图3
图1为单片机的晶振电路，图2为单片机的复位电路，图3为单片机的引脚分布及各引脚的接口，单片机采用5V供电。D1为单片机上电电源指示灯，P2.7为报警指示灯的接口，P2.6为报警蜂鸣器的接口，P0.0-P0.7为74HC373的8位数据接口，X1，X2为晶振电路的接口，与晶振电路相连。P1.0-P1.3为TLC2543的控制端口，P2.0-P2.3为显示数码管的为位选控制端口，RST为单片机的复位端口，与复位电路相连。

2.5 声光报警电路
当测量的温度超过限定值时，声光电路将进行声光报警，提醒操作人员及时进行处理，避免系统长时间工作在高温情况下，影响系统的性能和使用寿命。声光报警电路由一个发红色光LED灯和蜂鸣器构成。

电路原理图如下所示：

声光报警电路

2.6显示电路
显示电路由8位锁存器74HC373，4个八段数码管构成，74HC373的8个输出口分别与各个数码的8个段选端口相连。经过单片机P0输出的8位数据，进入74HC373中，先锁存，再经过单片机的P2.0-P2.3口来选择要显示的位，即控制数码管的位选，经过以上所述来达到实时显示温度的目的。
显示电路原理图如下所示：

74HC373是八位D型锁存器，其的逻辑图和引脚排列图如下：

由图可见它是三态输出结构，1引脚为输出使能控制信号端，当1引脚为低电平时，8个输出三态门导通；当其为高电平时，输出三态门为高阻态。74HC373内部集成有8位D型锁存器，1D，2D，```````8D是8个数据输入端，CP是锁存控制信号。在输出使能信号CS=0情况下，若CP为高电平，输出Q跟随输入数据D变化而变化，即D=0，Q=0，D=1，Q=1，若CP为低电平，输出Q的状态被锁存在CP变0之前时刻各相应数据输入端的电平上，当CS=1时，输出虽然为高阻态，已有的锁存数据依然保留，新的数据也能够进入，因而输出使能信号CS不影响内部锁存功能。

2.7电源电路
电源是整套系统工作的基础，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。
电源模块的电路原理图如下所示：

由原理图可知，220V交流电经过变压，整流，滤波后分成两个支路，一路经过滤波后输入LM7809，另一路进过滤波后输入LM7909（C1、C7分别为7809和7909的输入滤波电容），两路的输出经过滤波（C2和C8分别为滤波电容），去高频耦合（C5和C10为去耦电容）后分别提供+9V，-9V稳定电压，其中路经LM7809的支路，输出后又经LM7805稳压输出+5V电源，经过上述的电压变化能够达到电路的需求。
常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ××系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
7805和7809的封装与管脚图如图1所示，7909的封装与管脚图如图2所示

图1 图2
　在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。散热片总是和接地脚相连。这样在78**系列中，散热片和②脚连接，而在79**系列中，散热片却和①脚连接。
78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，因此一般输入为9-15V之间。
7909的参数如下图所示：

3 数字温度计系统软件设计
3.1软件总体流程设计
软件设计采用c语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。
3.2系统程序构建
数字温度计系统软件部分采用模块化设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模块、中断检测模块、延时处理模块、数据处理模块、显示模块，其软件系统的主程序实现流程如下图所示：
开始

调用初始化模块

采集中断子程序中获得的AD转换后的数据

调用数据处理子程序

超过限定温度了吗？

声光报警
YES

YYESES

NO
调用显示子程序

结束

4 总结与展望
数字温度计是为了测温而设计开发的。在单片机技术与热敏电阻的巧妙结合下，能够有效测出温度，并实时数字显示，当温度超过限定值时会及时发出报警，提高了操作的安全性，同时为测量人员提供了方便。
本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作:
(1) 本文在前半部分详细叙述了利用热敏电阻，组成测温电桥的测温的原理及为何选用PT100，使我更加了解本设计的设计目的及要求。
(2) 在了解热阻效应和PT100的工作原理的基础上研究和分析了系统设计方案，并对系统中遇到的不同的场景进行了分析；
(3) 完成了数字温度计系统的硬件选型和电路设计；
(4) 完成了系统的软件流程图设计；
本文经过对数字温度计系统的设计过程及计算得出如下结论:
本系统对有限温度范围内的温度测量具有较高的精度，实现了测量温度显示和超出限定温度报警功能，其主要技术指标达到了系统设计要求；
本文关于数字温度计的设计，虽然能够满足广大普通客户的需求，也做了一些尝试性的探索工作，可是还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进一步深入研究:
(１) 需要对热敏电阻的线性度和系统电路设计的可靠性进行进一步的研究；
(２) 本文在系统的精度方面研究非常局限，并没有做到非常精确，这就要求以后在这方面还有更近一步研究。
(３) 本次课程设计的数字温度计的测量范围具有很大的局限性，只是在理论上经过了，在实际电路中必将遇到很多问题，在硬件电路中如电源的稳定输出，滤波等方面有待很大的改进。