传感器课程设计-基于热敏电阻的高温报警器.docx

课程设计 题 目 基于热敏电阻的高温报警器 摘要随着电力电子的蓬勃发展和迅速换代促进了交流电动机变流(频)供电技术的迅速发展和变流(频)装置的现代化，其中逆变技术的发展是其中具有代表性的一个分支，具有很重要的研究价值。电流控制电压型逆变器(current-controlled pwm)，简称cc-pwm,是一种电压型逆变器的直接电流控制方法，即：通过电流的闭环控制实现逆变器负载电流的准确、及时跟踪。在cc-pwm电流控制方案中，滞环电流控制是应用得最经常、最广泛的一种控制方法。本文对滞环电流控制的电流跟踪型逆变器进行了原理的分析，并且利用matlab/simulink动态仿真工具对其系统进行了动态的仿真，验证了其原理的正确性和可行性，证明了滞环电流控制具有输出电流正弦，具有鲁棒性好和动态性能好的突出优点。关键词：逆变器 电流控制 滞环电流 仿真目 录一 、设计目的1二、设计任务与要求12.1设计任务12.2设计要求1三、设计步骤及原理分析13.1设计方法13.2设计步骤23.3设计原理分析8四、课程设计小结与体会8五、参考文献10一、实验目的无论是日常生活中，还是在工业生产中，许多方面都对温度有着严格的温度控制，为了减少劳动力和成本，就需要有仪器对特定温度进行监测，但温度不在要求的范围内的时候能够自动报警，以减少损失。针对以上情况，我们决定设计一个高温报警器，不但能解决问题，还能通过设计及制作加深对传感器等元器件的认识，在原器件应用及实物设计制作方面的能力得到提升。二、设计任务及要求 基于at89c51单片机设计温度检测报警，可以实时采集周围的温度信息进行显示，并且可以根据应用环境不同设定不同的报警上下限。本文介绍的温度报警器以stc89s52单片机为控制核心，再配合热敏电阻pt100温度检测电路、ad0801转换器、单刀双掷继电器、报警电路、复位电路、晶振电路以及2个led数码管来实现对环境温度的实时监测，并能在预设的温度范围内用led显示，同时在超过预设范围时产生报警信号。本文分析了温度传感器的工作原理，系统硬件电路以及软件部分的设计。三、设计步骤及原理分析3.1、设计方法通过pt100热敏电阻对温度进行采，随着温度的变化，pt100的阻值也会随着变化，则通过自制的桥式测温电路的分压也会发生变化，由于变化的分压不是很大，所以采取ua741放大器将变化的电压进行放大，放大到ad0801模数转换器能够处理的范围之内。经模数转换后的温度信号传入到stc89s52单片机，再由单片机控制继电器、蜂鸣器和数码管来实现温度控制、报警、显示的功能。当温度在18度至70度之间时，系统正确显示温度，当温度超出这个范围时系统在显示温度的同时发出警报声。其系统原理图见图2-1所示：图2-1 温度报警器系统3.11、硬件设计1、单片机stc89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。管脚说明： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 由于温度报警器的核心就是单片机，单片机的选择将直接关系到控制系统的工作是否有效和协调。本设计采用mcs-51系列的stc89s52单片机，因为stc89s52单片机应用广泛，性能稳定，抗干扰能力强，性价比高。8051包含了8位cpu，片内振荡器，8k字节rom,256字节ram，3个16位定时器/计数器等。at89s52的管脚分配如图3-1：图3-1 stc89s52的管脚分配图2、温度采集电路2、1 pt100温度传感器pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：（1） 测量范围：-200+850；（2） 允许偏差值：a级（0.15+0.002|t|），b级（0.30+0.005|t|）；（3） 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；（4） 允通电流5ma因为pt100是将温度转换为电阻，而单片机处理的为数字电压信号，则要将电阻转换为电压，同时对电压信号进行放大后输入a/d转换adc0801的vin+端口。2、2 测温电路 图3-2 测温电路测温原理：采用 r1、r2、vr2、pt100 构成测量电桥（其中 r1r2，vr2 为 100精密电阻），当 pt100 的电阻值和 vr2 的电阻值不相等时，电桥输出一个 mv 级的压差信号，这个压差信号经过运放 ua741 放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 ad 转换芯片。差动放大电路中 r3r4、r5r6、放大倍数r5/r3，运放采用单一 5v 供电。3、 a/d转换电路3.1 adc0801介绍 adc0801是8位全mos中速a/d 转换器、它是逐次逼近式a/d 转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接口接。其主要引脚功能如下： （1）rd，wr：读选通信号和选通信号（低电平有效）。 （2）clk：时钟脉冲输入端，上升有效。 （3）db0db7是输入信号。（4）clkr：内部时钟发生器外接电阻端，与clkin端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1rc。（5）cs：片选信号输入端，低电平有效，一旦cs有效，表明a/d转换器被选中，可启动。（6）wr：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，cs、wr同时为低电平时，启动转换。（7）intr：转换结束输出信号，低电平有效，输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。（8）clk：为外部时钟输入端，时钟频率高，a/d转换速度快。允许范围为10-1280khz，典型值为640khz。此时，a/d转换时间为10us。通常由mcs51单片机ale端直接或分频后与其相连。当mcs单片机与读写外，ram操作时，ale信号固定为cpu时钟频率的1/6，若单片外接的晶振为6mhz，则1/6为1mhz，a/d转换时间为64us。3.2a/d转换电路工作原理adc0801的a/d转换结果输出端db0db7与8051的p0.0-p0.7相连。rd与stc89s52 rd相连，wr也是跟stc89s52 wr相连。cs、vin+接地。（低电平有效）adc0801的两模拟信号输入端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号，与wr同时为低电平a/d转换器被启动切在wr上升沿后100 模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，intr自动变为低电平，表示本次转换已结束。如cs、rd同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在rd高电平到来后三态门处于高阻状态 。a/d转换电路如图3-3所示。图3-3a/d转换电路4 、温度显示电路led数码管显示原理，共阴数码管管脚分配如图3-4所示：图3-4 数码管显示原理3.12、软件设计1、软件是该led显示屏控制系统的重要组成部分，在系统的软件设计中我们也才用了模块化设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性。2、软件设计的任务包括启动a/d转换、读a/d转换结果、温度显示等，其中启动a/d转换、读a/d转换结果、温度显示、温度控制等工作都在主程序中完成。3、本系统中下位机（单片机89s52）的主要功能就是实现led显示屏上字样的移位、显示、数据的读取等功能。其主程序流程如图4-1所示。图4-1 程序流程图3.2、设计步骤 1、对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。 2、软件调试采用单片机仿真器proteus及keil，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。 3、 将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能热敏电阻采集到温度后经a/d转换成信号送入单片机，经过数码管显示出温度，同时判断是否超出了18度至70度的范围，超出了则断开开关并启动蜂鸣器发出警报声，若没有超出就自然显示温度。3.3、设计原理分析通过pt100热敏电阻对温度进行采，随着温度的变化，pt100的阻值也会随着变化，则通过自制的桥式测温电路的分压也会发生变化，由于变化的分压不是很大，所以采取ua741放大器将变化的电压进行放大，放大到ad0801模数转换器能够处理的范围之内。经模数转换后的温度信号传入到stc89s52单片机，再由单片机控制继电器、蜂鸣器和数码管来实现温度控制、报警、显示的功能。当温度在18度至70度之间时，系统正确显示温度，当温度超出这个范围时系统在显示温度的同时发出警报声。四、课程设计及体会热敏电阻采集到温度后经a/d转换成信号送入单片机，经过数码管显示出温度，同时判断是否超出了18度至70度的范围，超出了则断开开关并启动蜂鸣器发出警报声，若没有超出就自然显示温度。该温度报警器在proteus中仿真理论上基本可以实现。本次实习在设计和制作温度报警器的过程中，对在校学习的单片机知识、电路知识以及c语言程序设计知识有一个全面的检验，在制作过程中也体验了从电路图的绘制到元器件的焊接组装调试的全过程。学会了proteus单片机仿真软件使用的基本步骤，了解了各个元器件在proteus中的表示，掌握了proteus和keil uvision3联调的方法，以及ad0801、stc89c52、测温电路基本连接方法更培养了我更加细心、耐心的素质。电路板的焊接感觉有点难度，因为器件较多，而且有些器件是不熟悉的，如继电器，没有焊过五个脚的，不过去网上看了些资料和问了下同学就解决了此问题。在设计过程中还发现有些器件是比较难买的，但是已经确定了原理图不好更改，adc0801就比较难买，所以在以后的课程设计还要考虑到器件是否比较稀有，否则花费比较多。附录1：总原理图附录3：元件清单参考文献1 谢维成.杨加国.单片机原理与应用及c51程序设计（第2版）清华大学出版社，20092 吴金戎.8051单片机实践与应用m.北京：清华大学出版社，20053 胡斌.图表细说电子元器件m.北京：电子工业出版社，20054 王福瑞.单片微机测控系统设