基于热敏电阻的数字温度计的设计毕业设计

商丘师范学院学士学位毕业设计引言当今社会是一个跨时代的信息化时代，无论是在生活中或是在工业化生产中对于信息参数的精确度、及时性和有效性的要求都有了更明显的增长。在现代信息化的时代中很多科技技术都有了更加深远的发展，温度传感器技术是其中发展最快最先进的，温度传感器技术在各领域已经得到了广泛的应用，温度对人们的生活环境来说至关重要，在工业化生产中实时温度测量同样重要，温度的测量在农业生产中也是不可或缺的，我们选择研究温度测量设备意义重大。本文设计是利用所学单片机知识完成热敏电阻数字温度计的自动显示。通过软件编程实现温度转变电能以及TCL4535的串行A/D转换和数字调节变换等功能。1设计过程和设计方案1.1主要功能：能够检测出温度及其变化量能够显示出温度的变化量参数要求：设计系统的温度测量精度：—5%RH—+5%RH温度测量精度：—0.1℃—+0.1℃系统数据的显示方式：LED数码显示1.2系统总体设计理念该设计的温度检测模块主要组成为电桥，利用温度检测模块对温度进行检测，之后由高精密仪表放大器PGA203对所测得的小信号进行放大，然而在放大的过程中可能会出现信号太小，所导致的后续工作无法进行，选用了OP07对信号进行二级放大以达到系统下一级运行的要求。再通过TLC3545模块的的A/D串行转换功能得到的数字信号，由单片机可以通过读取功能能够识别的数字信号。然后利用单片机读取所得到的数字信号，对数字信号进行运算和各种处理，最后驱动数码管进行显示。单片机AT89C51作为其中最主要部分对整个系统的运行起到了至关重要的作用。1.3设计方框图系统的硬件电路的组成其实很简单。主要是由温度检测模块、信号处理模块、A/D转换模块、单片机、按键控制模块、LED显示模块所组成的。其中温度检测模块用于温度检测，信号处理模块用于将温度差值信号转换成电压差值信号并将其放大，A/D转换模块的主要功能是进行模数转换，利用芯片TLC3545对模拟信号进行数字转换，单片机模块是最重要的一部分，它的作用是接受由A/D转换模块传送的温度数字信号并对其进行运算和处理，按键控制模块的功能是人工设置信号放大倍数，LED显示模块用于温度的数字显示，并且是实时显示。系统结构框图如下图所示：单片机单片机AT89C51按键控制模块按键控制模块温度检测模块信号处理模块A/D转换模块温度检测模块信号处理模块A/D转换模块LED显示模块LED显示模块图1总体设计结构图2设计原理与结构介绍本设计的温度测量模块主要为温度电桥，温度电桥采用热敏属性较高的铂敏电阻组成，热敏电阻组成的电桥处于平衡状态。热敏电阻的属性是随着温度的变化而引起电阻值变化，当电阻值发生变化时，电桥的平衡状态就会随之发生改变，最终的结果就是电桥输出的电压值发生变化。随后电压信号送入经由信号处理模块中的仪表放大器，从而对该信号进行放大。A/D转换模块的主要功能则是利用芯片TLC3545将模拟信号转化为数字信号，然后将得到的数字信号输送到到单片机中进行运算和处理。由按键控制模块通过人工操作来设置信号增大的倍数以满足显示器的显示要求。最后信号的最终数据经过单片机处理和运算，由驱动数码管实现温度的显示。2.1温度检测模块2.1.1常用温度电桥我们选用的电桥是由灵敏度较高的铂敏电阻所组成，在所有的热敏电阻中铂热的温度测量准确度较高，被广泛的运用于工业领域，有时会被当作标准的基准仪来使用。热敏电阻的适用范围比较广，由热敏电阻的特性决定了其一般用于中低温度的检测。热效应是热敏电阻的一般属性，即温度的变化引起电阻值变化的特性。热敏电阻的温度测量灵敏度高，在工业生产中应用很广泛。2.1.2电桥的实际原理由热敏电阻Ra、Rb、Rc和RT1组成一个测温电桥。当温度为常温时选择Ra、Rb、RT1并调节Rc、使电桥处于平衡状态。热敏电阻的阻值会随着温度的不断升高而不断变小，这时的整个测温电桥的平衡状态就会被打破．随之电桥各支路的电压也就会变得不再平衡。电桥的不平衡体现在输出电压的不平衡，也就是电压的输出值会发生变化产生电压差值，随后该电压差值会作为电信号输入信号处理模块，进行后续处理。就是实际使用中的电桥工作原理。其温度电桥电路如下所示：图2温度测量电桥电路2.1.3电桥的原理及上述电路电桥分析（1）电桥平衡条件 (1)(2)电桥输出电压公式：(2)（3）电桥灵敏度的实际运算：当桥臂电阻值发生变化时，就会引起各桥臂的电压发生变化。最终使得电桥的状态从平衡变为不平衡，这是电桥所能够输出的电压值的表达式为：(3)由,又电桥开始时平衡,即:(4)(5)在实际应用中我们一般使用桥臂电阻相等，这样既可以简化桥路，同时也可以使所选电桥的最，即大灵敏度:(6)如：(7)半桥单臂接法:(8)电桥的灵敏度为：(9)通过计算可以得到灵敏度为:(10)还有另外一种提高电路的灵敏度的方法，就是不断增加图3电路图中的工作电压[1-2]。2.2仪表放大器的介绍在生活中由于PAG203所具有的放大功能，我们一般将PGA203看成一个简单的仪表放大器。PGA203对信号具有不同的放大功能，这就取决于它本身的增益的程度。1、2、4、8这四种不同程度的增益决定了PGA203对信号不同程度的放大。以上这些功能为信号的使用提供了很多便利。在输入以及新的跨电路存在的同时，在同一带宽范围内能够保持增益的数值不变。增益及偏移激光能够在一定的范围内进行微调，在进行微调的同时不需要利用其它的元件就能够解决。PGA203一般都是陶瓷包装的，不过常见的也有塑料包装。在整在工业生产过程中一般选用陶瓷包装，因为陶瓷包装适用温度范围比较大。然而商业使用一般选择塑料包装因其生产成本低。PGA203的定值参数：额定电压：±18V内部功耗：750mW共模抑制比：80dB最大偏置电流：50Pa信号输入电压：±（VCC+0.5V）图4PGA203引脚图在放大器PGA203使用的过程中器件的增益和外部元件可能会造成不必要的误差，在这个时候我们就会注意电容尽最大可能的靠近放大器的引脚端，这样就会使芯片性能达到最大化。在使用过程中放大器PGA203的检测端的增益误差很容易就会发生，导致这种情况的发生会有很多因素，一般我们会选择器件所连接的线尽可能保持最短作为最基本的措施，该措施的目的是使检测端的误差尽可能小，小到对系统的正常运行无任何影响。电容的传输及用于偏移调节的电容我们都应该多注意，因为这些是保持电路稳定的必要条件。芯片PGA203的增益选择通常是由A0(引脚1)和A1（引脚2）来控制。表1PGA203的引脚控制和增益误差PGA203A0A1GAINERROR0010.05%0120.05%1040.05%1180.05%若放大倍数不能够达到系统的要求，我们可以利用由按键控制模块通过人工操作来设置信号增大的倍数以满足显示器的显示要求。这样做既简单又方便快捷。PGA203是灵敏度和精确度都很高的仪表放大器，这就确定了PAG203在对信号进行放大操作的过程中产生的误差较小。虽然PGA203为精密仪表放大器但是也会产生一些比较小的误差，主要是失调电压产生的结果，其次任何仪器在制作的过程中其本身都会带有一定的误差，测试仪器亦不例外。在使用该芯片的过程中若不注意电源的去耦可能也会有一定的影响。为使PGA203在使用过程中的影响达到最小。我们通常会在使用放大器之前进行去耦操作，在去耦之后使用其放大效果会更好。在一般情况下测量出来的电阻值随温度变化引起的变化量都很小，不能够为下一级所使用，我们一般会选用由OP07搭建的反向放大器对信号进行二次放大，这样信号就能够顺利的输入TLC35454A/D转换器中进行转换。2.2.1PGA20仪表放大器由OP07和PGA203共同构成的仪表放大器的主要功能是将输入放大器的信号进行不同程度的放大。而在本设计系统中则是将电桥不平衡时所产生的电压差值信号进行不同程度的放大。经过放大之后的信号能够更容易的被应用到系统中，有利于系统的顺利进行。通常选用人控制键盘来手动设置放大器的放大倍数，通过单片机的自主控制来实现电压差值信号的放大倍数。当加入OP07之后的放大器能够对信号进行二次放大，以满足系统的要求，完成系统的后续运行。放大器的示意图如下所示：图5设计中所用放大器的电路原理图2.3TLC3545的介绍及应用TLC3545是具有串行输出、自动断电和伪差动输入的14位A/D转换芯片，且具有功耗低及自动电源关闭模式的。该芯片的功耗很低的特点决定了，提供给它很低的电源电压就可以正常工作的特性。芯片TLC3545的引脚示意图如下图所示：图6TLC3545引脚图​​芯片TLC3545能够提供的最大的转换时间间隔为2.67微秒。这个时间间隔用于芯片TLC3545自身的初始化。芯片TLC3545的引脚功能介绍：AIN(+)：同相输入端。AIN(-)：反相输入端。REF：参考电压输入端。VDD：+电源电压端。SCLK：串行时钟。内部电路接地回路。CS：片选择控制口。在CS端的电平从高电平状态转变为低电平的过程中，也就是电平的跳跃期间，最大延迟时间内数据输出口高组态状态会被自动消除。SDO：转换结构数据串行输出端口。CS=1，SDO为高阻态的状态。CS=0，TLC3545内开始进行模数转换。MSB会作为最先被输出的数据从芯片内输出，只有在SCLK的处于上升沿的状态时其余数据才能够被输出芯片。若想得到由该端口输出的数据是有效的，就必须在SCLK处于下降沿的状态期间才能够去执行输出操作。要使它的输出状态变为高阻态，SCLK必须经过17个上升沿后才能够实现。在正常工作之前我们要对TLC3545进行初始化操作，这样的话加入电源后的复位周期就可以进行正常的工作。在复位周期终止后CS为高电平。当SDO输出表示的是上周期数据且其代码为3FC0H的时，就代表芯片TLC3545发出了一个有效的复位周期。SDO输出的代码的生成是在芯片初始化或一个有效的复位期间。芯片TLC3545具有功能损耗小、控制简便、成本较低，体积小，而且与单片机的连接的方法很简单[3-4]。TLC3545与单片机AT89C51的连接示意图如下图所示：图7单片机与A/D转换的连接示意图3单片机及其介绍单片机的出现使得很多问题变得简单又快捷。而Intel公司推出MCS-48系列8位单片机后，单片机的发展更为迅速。一直到现在51系列经久不衰并得到了最广泛的应用。随后又逐渐出现了更多的单片机系列，如位AT89/P89/STC89系列等。其中AT89C51是由ATMEL公司设计生产出来的，AT89C51的特点有耗能低，电压的低性能比较高。而AT89C51具有很多应用功能，Flash闪速存储器的容量一般为4K个字节，I/O端口的总线为32位，通常设定128个字节为RAM的内存，一般AT89C51的内部会有两个16位的定时器或者计数器，串行口的工作方式一般为全双工的通信方式，拥有一个6响亮的第二即中断程序，同时还有AT89C51的片内晶振电路。89C51拥有的P0-P3端口是可以与外部信息的交换8位并行接口。是均可输入输出的准双向端口。而本设计仅适用了2个I/O端口，与其它部分相连接。单片机AT89C51的引脚示意图如下图所示：图8单片机的引脚示意图单片机AT89C51的引脚功能介绍：（1）VCC(40脚)：电源端，+5V。（2）GND（20脚）：接地。（3）P0口：P0口的I/O端口是8位、漏极开路准双向的，同时P0口的内部具有一个可以被拉动的上拉电阻，在当P0=1时，端口的高电阻是通过内部上拉电阻的上拉实现的。这时可以作为输入口来使用。作为输出端口。P0口可以拥有8个LS型TTL负载。P1口：P1口是1个准双向8位I/O端口，P1=1时，成为高阻抗用以信号的输入，P1=0时，成为低阻抗是信号的输出端口。当然在这时P2口在校验期间同样能够去接收高8位地址信号和控制信号。P2口：P2口是1个准双向8位I/O端口。P2=1时，电阻变高，成为输入口。用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器的存取功能一般是由P2口来完成的，所以一般由高八位作为P2口的输出地址。当P2口成为高电平时，这是P2口就会执行对外部八位地址数据存储器的RAM操作，执行的结果就是P2口输出其特殊功能寄存器内存储的内容。P1口引脚P1口引脚的第二功能注释P1.7SCK是穿行时钟的信号P1.6MISOP1.5MOSIP1.1T2EX是重载触发引脚和它的控制方向P1.0T2是定时器表1P1口引脚的第二功能（6）P3口：P3口是1个准双向8位I/O端口。P3=1时为高电平，并用作输入。单片机要想实现读—修改—输出的系统操作，其前提条件是P3口能够在执行读引脚操作的同时1进行读锁存器操作。P3口在单片机AT89C51中用到了没有用过的功能，称之为P3口的第二功能。P3口的第二功能如下表所示：表2P3口第二功能功能表P3口第二功能注释P3.7RD外部RAM的读通信号P3.6WR外部RAM的写选通信号P3.5T1计数器1的外部输入P3.4T0计数器0的外部输入P3.3INT1外部中断1输入P3.2INT0外部中断0输入P3.1TXD串行数据发送口P3.0RXD串行数据接收口（7）RST：RST是复位信号输入端，RST=1是有效。必须在输入端保持两个相邻机器周期的电平为高电平的条件下，才能够完成单片机所具有的复位操作。ALE/PROG：地址锁存允许信号。在单片机正常工作的前提下，ALE引脚将频率为振荡器频率fosc的1/6信号作为输出正脉冲信号.当CPU不再访问片外存储器时，ALE端还是向外输出正脉冲信号该频率为振荡器频率fosc的1/6.ALE端负载能够驱动8个LS型TTL。（9）/PSEN：程序存储允许输出信号端。当从片外程序存储器取指令时，只有两次/PSEN发生在同一个机器周期内才有效。它的负载能力为8个LS型TTL负载。（10）/EA/VPP：使用片内还是片外的ROM作为程序存储器的选择端，/EA只有处于低电平时才能够有效。当需要选择片内程序存储器的容量时，我们就将/EA设置为高电平状态；设置/EA=0时，无论片内是否有程序存储器其结果都是程序存储器全部在片外。（11）XTAL1：XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体中的一端。当单片机AT89C51利用的是外部的振荡器时，XTAL1只能够与接地端相连。（12）XTAL2：XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体中的另一端。当XTAL2接外部振荡源，单片机AT89C51必然利用的是外部的振荡器。外接的Ca,Cb，X112M所组成的电路是单片机的时钟电路，时钟发生器的功能是将振荡固有频率分分解为两个不同的频率，这样单片机就拥有两个不同的时钟信号Pa和Pb可以使用。晶体频率与振荡电路的固有频率大小等同。3.1单片机的时钟电路和复位电路晶振电路是单片机中最小的系统工作单元，单片机的晶振电路的功能是为单片机提供运行脉冲信号，这样该脉冲就是单片机的工作速度，但是该脉冲必须配合外部晶体来实现振荡的电路。我们也可以形象的认为单片机的时钟电路是单片机的心脏，为单片机的运行提供动力。为确保同步工作方式的顺利进行，一般会保持电路在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。当时钟为0时，单片机无法正常工作；若时钟大于单片机的工作频率，单片机也无法正常工作。本设计使用了时钟电路的内部振荡电路。89C51单片机的内部有用于组成振荡器的高增益反相放大器，在该放大器中引脚XTAL1当作输入端口、引脚XTAL2当作输出端口。外接晶体谐振器、电容C1、电容C2共同构成了并联谐振回路。复位电路就是单片机的初始化，将PC地址内的地址单元初始化为0000H，这样单片机开始执行程序的初始位置就变为0000H单元。当系统的正常初始化时该系统可以自发的进行复位操作，当然也会有例外如：当系统在运行过程中其自身出现错误指令使系统处于死锁状态，或执行系统操作错误使系统处于死锁状态，一旦出现上述状况，我们可以通过按复位键来重新启动系统程序。复位可分为两种形式，上电自动复位和手动复位[5-7]。单片机的时钟电路和复位电路组成的单片机的基础电路如下图所示：图9单片机的时钟电路和复位电路4键盘电路设计键盘在本系统中的主要功能是人工干预单片机设置放大器放大倍数。键盘实际就是一组按键开关集合。键是否闭合，则反映在输出电压是现高电平还是低电平，若高电平表示断开，那么低电平就表示键闭合，因此可以通过这种方式来确认按键按下与否。为确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，就必须消除抖动的影响，只有这样才能使键盘在单片机系统中的使用得更加稳定。在生活中键盘接口的方式包括矩阵式键盘接口方式和立式按键接口方式。为满足本设计的要求，键盘主要是用来设置PGA203的放大倍数。本设计则需要采用独立式键盘来完成这一功能要求。其电路连接上如图所示。图10独立式键盘与AT89C51连接图4.1键盘的机械抖动在Y0为低电平时S1键就会进行一次闭合，S1键闭合的一般过程：如下图中tb和td分别作为S1键的闭合、断开进程中的机械抖动时期，开关的机械特性决定了其时间间隔的长短，其时间间隔一般为5～10ms。tc定义为闭合的稳定时间段，我们按键动作的频率决定了它的时间长短，当然这个时间一般会很短。ta和td设定为为S1键的断开期。以上介绍的就是键盘闭合一次所要经过的各个时期。这样我们就很容易判断键盘的闭合时间段。在该设计中我们要确定CPU对键盘的闭合只进行了一次处理操作。由此我们进行抖动消除操作的处理。无论何时检测到有任意的键盘按下去的时候。系统都会自动执行延时10ms的子程序，这个时间段用于检测电平是闭合还是断开状态，当电平闭合时就确认按下了键盘，结果是消除了抖动的影响[8-10]。键盘的机械抖动示意图如图所示：图11键盘的机械抖动示意图5.LED显示模块LED显示器通常是由发光二极管组成的，所以二极管导通的过程中会出现发光段或发光点。数码管的制作方式包括“条形七段式”、“反射罩式”、“多位数字式”、“单片集成式”等等。（1）反射罩式数码管：反射罩式数码管有两种封装方式分别为空封、实封。其中实封所要使用的材料一般是具有散射剂的环氧树脂及染料的环氧树脂。空封就是在数码管的上方利用滤波片或者匀光膜进行密封，在芯片和底板上涂上透明的绝缘胶，这样做既可以提高器件的可靠性又可以提高光效率。（2）条形七段式：条形七段式数码管制作品方式为混合封装形式。它的主要材料为磷化镓，这种制作方式制作的步骤一般为将作为管芯的磷化镓原材料制成可以粘贴在“可伐”的日字框上的条形，再利用焊压工艺进行焊接，随后利用环氧树脂对它进行密封式的包封。（3）单片集成式数码管：该方式针对于大部分的显示器在发光材料基片上（大圆片），使用更多的数码显示管以组成更多的7段显示图。该方式通常使用压焊工艺进行制作。5.1LED显示器结构原理发光二极管的组成材料种类很多，而且有很多种材料都具有其特殊的属性，我们在本设计中选用的是砷化镓，砷化镓半导体二极管的特点是，二极管加上正向电压是导通发光，而加上反相电压时闭合不再发光。共阴极、共阳极是七段LED的典型结构，而本设计选择了共阳极接法。（1）共阴极接法在LED数码管的内部结构中若干个发光二极管的阳极相互连接，而且所有二极管的阳极极连接在一起构成了它的公共端，而且公共端与+5V的电压相连接为LED数码管提供电源。使它们的公共阴极接地，该段发光二极管发光。（2）共阳极接法若若干个发光二极管的阴极相互连接的话，则它们的公共端则是由二极管的阴极相连接构成的，则数码管的另一端就是数码管的没有连接在一起的那一端，若想发光二极管能够发光只有在二极管的阳极接1的情况下才能发生而本中采用了共阳极接法。每段分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dpLED数码显示管的显示结果需要8个字符来表示数字，8个字符也就是一个字节，这样它们的代码均为一个字节。例如，显示“0”，则a、b、c、d、e、f、g、dp分别为00000011B；而显示“A”，则a、b、c、d、e、f、g、dp分别为00010001B（共阳极）。LED数码管组成示意图如下图所示：图12七段LED的整体图表3七段LED字形码显示字符共阳字形码共阴字形码显示字符共阳字形码共阴字形码0C0H3FHCC6H39H1F9H06HDA1H5EH2A4H5BHE86H79H3B0H4FHF8EH71H499H66HP8CH73H592H6DHUC1H3EH682H7DHRCEH31H7F8H07HY91H6EH880H7FHH89H76H990H6FHLC7H38HA88H77H灭FFH00HB83H7CH———5.2LED的电路图显示模块的功能是实时显示温度的变化量以便于生产和生活中的应用。在进行实时动态显示的过程中，显示模块选用了8位数码管进行接收数据并对其进行显示。通过芯片74LS373对数码管进行控制。LED驱动电路的示意图如下图所示：图14LED驱动电路示意图6整体硬件原理首先有温度检测模块对外界温度变化进行检测。然后将产生的信号信号输入仪表放大器进行放大进行不相应程度的放大，在放大的信号还不能满足系统的要求时，我们通过单片机控制的人工按键操作来设置放大信号的倍数，以满足系统对信号的放大倍数的要求。然后由具有A/D串行转换功能的芯片TLC3545将模拟信号转化成数字信号。然后利用单片机读取所得得到的数字信号，对数字信号进行运算和各种处理，最后驱动数码管进行显示。其整体硬件原理图如下图所示：图15原理硬件图6.1程序模块设计本设计的系统程序主要由单片机程序主函数、PGA203放大倍数控制函数、TLC3545A/D串行转换函数、按键控制函数和显示函数组成。其中单片机程序函数由单片机复位电路为系统提供初始化操作，并不间断有次序的进行读取温度示数、并实时显示温度变化示数。每2s进行一次温度测量。在这2s期间温度测量设备系统不仅能够准确测的温度的变化量，且能够显示在LED显示屏上[11-12]。其程序流程如下图所示：YY初始化选择放大倍数启动A/D数据处理返回显示倍数放大是否合适N图16系统程序逻辑图4结语这个毕业设计主要是运用了单片机AT89C51的控制功能，单片机AT89C51为系统的中心，同时还使用了一些其他的芯片如：TLC3545、PAG203、OP07等。利用这些芯片组成了温度监控系统电路，实现了温度的测量及温度的显示等功能。该设计的系统具有安全性能高、准确性高、温度测量误差小、设备安装简便、精确度高等优点。通过此次论文课题的设计，进一步掌握了C语言、单片机、热敏电阻等知识，使我对单片机和编程以及热敏传感器等内容产生了浓厚的兴趣，并且对当今单片机、热敏电阻的最新发展计数有所了解，在画图的过程中利用了Protel画图软件，从不懂不会，一步步摸索到将所有原理图的完成，在这期间我学会多的新知识，在这个过程中，我将把这份压力变成动力，不断充实自己，不断学习，不断进步。参考文献[1]赵斌.简单数字温度计的设计[J].武汉工学院学报,2003(4):1-2.[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2003.[3]石大庆.一种数字温度计的设计[J].实验科学与技术,2012(1):179.[4]瞿贵荣.LED数码管的结构、特性及应用[J].家庭电子,1997,(9):45-46.[5]陈明荧.89C51单片机课程设计实训教材[M].北京:清华大学出版社,2004.[6]李广弟.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.[7]李海玲,王航宇.基于AT89C51&DS18B20的数字温度计设计[J].国外电子元器件,2008(11):82-84.[8]赵伟军.Protel99SE教程[M].北京:人民邮电出版社,2004.[9]楼然苗.51系列单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014.[10]李朝青,刘艳玲.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.[11]W.Wojciak,NAPIERALSKIA.AnanalonguehumidsensorintegratedintheCOMOStechnology[J].In:Proc.THERMINIC’95Workshop.France:Grenoble.195.15(28):25-26.[12]ARABIK,KAMINSKAB.B