单片机课设 热敏电阻测温系统

前言

近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性，将非电学的物理量转换为电学量，从而可以进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度

热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度，有较好的精度，但它比热偶贵，可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ，每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的 0.05℃误差。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。热敏电阻还有其自身的测量技巧。热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。

摘要

本次设计为热敏电阻温度测量系统的实现，温度测量显示系统，以热敏电阻构成温度测量电桥，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，后经过集成放大器放大，将放大后的信号输入AD转换芯片，进行A/D转换后，用单片机进行数据的处理，通过显示电路，在LED显示数码管上显示。具体使用热敏电阻监测温度变化，与R1，R2，R3电阻构成测温电桥，当温度变化时，电桥处于不平衡状态，两端输出不平衡电压，并将通过运算放大器将微弱电压信号放大，为测温提供符合转换条件的模拟电压。传感器输出的模拟电压经一通道输入ADC0809，经内部芯片处理，通过逐次逼近把模拟信号转换成数字信号，实现硬件滤波和AD模数转换。采用8051单片机，其工作在最小模式下，将AD模数转换的数据进行处理，计算等操作，对应转换表格，来控制LED数码管的输出显示。根据单片机处理信号的输出，来驱动数码管的显示，利用动态数码管实时显示出环境温度。

关键字：热敏电阻 A/D数模转换单片机 LED数码管动态显示

目录

第一章设计方案与原理 (6)

1.1 设计目的及要求 (6)

1.2 设计思路及分析 (6)

第二章热敏电阻温度传感器原理 (7)

2.1 热敏电阻特性 (7)

2.2 测温电桥及信号放大电路 (7)

2.3 电桥输出电压分析 (8)

2.4 放大电路 (9)

第三章 ADC0809模数转换器 (10)

3.1 ADC0809基本特性 (10)

3.2 ADC0890工作过程 (11)

第四章 LED显示器原理 (12)

4.1 LED数码管简介 (12)

4.2 数码管控制方式 (12)

第五章 AT89C51单片机介绍 (13)

第六章设计流程及硬件连线 (14)

6.1 硬件电路接线 (14)

6.2 设计流程 (16)

第七章汇编程序设计 (16)

总结 (20)

参考文献 (21)

燕山大学评审意见表 (22)

第一章：设计方案与原理

1.1 设计目的及要求;

1.1.1 设计目的：温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。热敏电阻温度测量系统是利用NTC的阻值随温度变化的特性，将非电学的物理量转换为电学量，具有体积非常小，对温度变化的响应也快的优点。

1.1.2 设计要求：

设计一个采用热敏电阻为敏感元件的温度测量显示系统，温度显示范围为0-100℃，显示分辨率0.1℃。依据系统要求，具体设计热敏电阻检测电路与单片机的接口电路、4位LED显示电路；编制相应的程序。

1.2设计思路及分析

1.2.1设计思路：

该温度测量显示系统，以热敏电阻构成温度测量电桥，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，后经过集成放大器放大，将放大后的信号输入AD转换芯片，进行A/D转换后，用单片机进行数据的处理，通过显示电路，在LED显示数码管上显示出被测量的环境温度。

热敏电阻温度测量显示系统原理图

1.2.2 各模块分析：

1 热敏电阻模块：

使用热敏电阻监测温度变化，与R1，R2，R3电阻构成测温电桥，当温度变化时，电桥处于不平衡状态，两端输出不平衡电压，并将通过运算放大器将微弱电压信号放大，为测温提供符合转换条件的模拟电压。

2 ADC0809数模转换器模块：

传感器输出的模拟电压经一通道输入ADC0809，经内部芯片处理，通过

逐次逼近把模拟信号转换成数字信号，实现硬件滤波和AD模数转换。

3 AT89C51单片机模块：

采用8051单片机，其工作在最小模式下，将AD模数转换的数据进行处理，计算等操作，对应转换表格，来控制LED数码管的输出显示。

4 LED数码管显示模块：

根据单片机处理信号的输出，来驱动数码管的显示，利用动态数码管实时显示出环境温度。

5 电源电路模块：

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，使其稳定正常工作。

第二章：热敏电阻温度传感器原理

2.1 热敏电阻特性：

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℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他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。

温度是表征物体冷热程度的物理量，常见的温度传感器有热电阻传感器、热敏电阻传感器、热电偶温度传感器、集成温度传感器。热敏电阻本身是一个利用其电阻值随温度变化而变化的温度传感元件，而且其灵敏度高、体积小、使用方便、结构简单等优点，因此利用热敏电阻制成的温度计广泛应用于航空、医学、工业及家用电器等方面做测温、控制、温度补偿、流速测量、液面指示等。采用以单片机为核心的热敏电阻温度计能很容易地减小上述影响，并且读数方便，精确度高，更显数字化。

2.2 测温电桥及信号放大电路

测温电桥及信号放大电路

上图是一个比较常用的温度测量电路，大致分为电源，电阻电桥，运放，输出部分。电源由R4，R6，C1，U1B组成，R4，R6为分压电路，C1主要滤除VCC中纹波，U1B为LM324运算放大器，工作于电压跟随器方式，其特点是具有高输入阻抗低输出阻抗，为后级电桥提供较稳定的电流。电桥由R1，R2，R3，R13及热敏电阻组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻变化，电桥产生电压差。运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A 组成，调节R14可以调节输出电压幅值。D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。

具体测温电桥如下：

热敏电阻测温传感器测温电桥

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。

2.3 电桥输出电压分析

电桥原理图 (1)电桥输出电压：

221111R I R I Uad Uab Uo -=-=

I

U R R R R R R )(

4

34

211+-+

（2）电桥平衡条件：

4231R R R R =

当各桥臂发生微小变化时，电桥失去平衡，其输出为：

))(())((-))((4433221144223311R R R R R R R R R R R R R R R R U O ?+?+?+?+?+?+?+?+=

I U

一般?R 很小，即?R<

所以

I

O U R R R R R R R R R R R R U 2212

144332211)(+???? ???-?+?-?=

实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等。

2.4 放大电路

最后经过放大部分，如图，为传感器的微弱电压输出的放大电路。分析它是一

个差分放大电路,其放大倍数为

925036100023===

R R A ,那么放大后的电压值为

O O

O R R U ?=

9250'

I U ,因为O O

R R ?和温度T 有一定的线性关系，A/D 转换器的最大

输入电压为5v,因此对应A/D 输出的电压，与热敏电阻感知的外界温度具有一定的线性关系。

放大电路电路图

第三章 ADC0809模数转换器

3.1 ADC0809基本特性：

ADC0809是CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D 转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D 转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D 芯片。

主要特性：

1.8路输入通道，8位A/D 转换器，即分辨率为8位

2.具有转换启停控制端

3.转换时间为100us(时钟为640kHZ 时），130us(时钟为500KHZ 时）

4.它由单一+5V 电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，ADC0809可对0V —5V 的双极性模拟信号进行转换。

5.引脚图如图所示。各引脚功能说明如下：

12

8

--：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。

2-

IN0—IN7:8路模拟量输入引脚。

V：+5V工作电压。

CC

GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

REF（—）：参考电压负端。

START：A/D转换启动信号输入端。

ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两个信号用于启动A/D转换。

EOC：转换结束信号输出引脚。开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。

OE：输出允许控制端。用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：时钟信号输入端。

ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线。经译码后可选通IN0—IN7 8个通道的一个通道进行转换。

ADC0809各引脚图

3.2 ADC0890工作过程

ADC0809的工作过程如下：首先用指令选择ADC0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX @DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后发出结束信号，置EOC引脚信号为高电平，该信号可以作为中断申请信号，当读允许信号到，OE端有高电平，则可以读出转换的数字量，利用MOVX A,@DPTR把该通道转换结果读到累加器A

中。转换电压为0—5V，调节桥路中的电位器，使其输出电压为0—5V，可以在较小范围内波动，当满量程输出时对应八个1的输出，由于前边计算的电压变化和电阻变化成正比关系，而且电阻变化和应变成正比，进而得出的压力和电压是成正比的。

第四章：LED显示器原理

4.1 LED数码管简介

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,h来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的2个8数码管字样了。其原理图如图所示

LED显示器有共阴极和共阳极两种，以共阴极为例，要显示数字0，需要满足两个条件，一是公共端子COM接地，二是a、b、c、d、e、f段亮，g段不亮，即a、b、c、d、e、f段加高电平1，g段加低电平0。7段LED显示器显示的数字、字符和对应的字型码如表所示，本设计采用共阴极

4.2 数码管控制方式

（1）静态显示

当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的地导通或截止。例

如，7段LED显示器显示数字0时，a、b、c、d、e、f段恒定导通，g段恒定截止。这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O 口线也将增加。

（2）动态显示

当为数较多时，用静态显示所需的I/O口太多，不太经济，一般采用动态显示方法，即用扫描的方法一位一位轮流点亮显示器的各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次，利用人眼的视觉暂留效应可以看到整个动态显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比值有关。调整电流和时间参数，可以得到亮度较高且较稳定的显示。

在动态显示方式中，若显示器的位数不大于8位，则控制显示器各位公共极的电位使他们轮流点亮只需一个I/O口（称为扫描口）；传送显示器的各位所显示的段选码也需一个8位I/O口（称为段数据口）。

由于8031I/O口有限，所以本次设计采用动态显示方式。

第五章：AT89C51单片机介绍

采用8051单片机，其管脚图如下：

80C51的引脚图

1.电源

（1）VCC - 芯片电源，接+5V；

（2）VSS - 接地端；

2.时钟

XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3.控制线（4根）

（1）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。

②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

（2）PSEN:外ROM读选通信号。

（3）RST/VPD:复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：复位信号输入端。

②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。

（4）EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①EA功能：内外ROM选择端。

②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

第六章：设计流程及硬件接线

6.1 设计流程：

热敏电阻检测电路与单片机的接口电路（ADC0809模数转换电路）和LED显示电路总体程序流程图如下：

总流程图

6.2硬件电路接线

1.WA VE2000试验箱地址插孔及地址：

地址码插孔及对应地址范围

2.本次设计硬件接线：

硬件接线框图

第七章：汇编程序设计

ADC EQU 09000H

; ADC 模数转换器地址

LEDBUF EQU 60H ; LED显示缓冲单元地址RESULT EQU 76H ; ADC转换结果存储单元

ORG 0000H

LJMP MAIN

TABLE: ; 数码管显示码表格

DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,

DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH

DELAY: ; 延时模块

MOV R6,#20

DELAY11:

MOV R7,#30

DJNZ R7,$

DJNZ R6,DELAY11

RET

READ: ;读取ADC转换结果并存储模块MOV DPTR,#ADC

MOV A,#0

MOVX @DPTR,A ;启动A/D转换

CALL DELAY

MOVX A,@DPTR

MOV RESULT,A ;读取数据，存储到RESULT单元

RET

SEARCHTABLE: ;查找数字显示表格模块

ANL A,#0FH

MOV DPTR,#TABLE

MOVC A,@A+DPTR

RET

LEDRESULT: ;结果输出模块

MOV A,RESULT

CPL A

MOV B,#22H

MUL AB

PUSH A

MOV A,B

PUSH A

CALL BAOJING

POP A

MOV B,#100

DIV AB

CALL SEARCHTABLE

MOV LEDBUF,A ;输出百位数字

MOV A,B

MOV B,#10

DIV AB

CALL SEARCHTABLE

MOV LEDBUF+1,A ;输出十位数字

MOV A,B

CALL SEARCHTABLE

ORL A,#80H

MOV LEDBUF+2,A ;输出个位数字

POP A

MOV B,#10

MUL AB

MOV A,B

CALL SEARCHTABLE

MOV LEDBUF+3,A ;输出十分位数字

MOV LEDBUF+4,#39H ;输出摄氏度代表符号

MOV R4,#300

RET

DISPLAYLED:

MOV R0,#LEDBUF

MOV R1,#5 ;

MOV R2,#20H ;从左边开始显示LOOP:

MOV DPTR,#8002H

MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A ;关闭所有数码管

MOV A,@R0

MOV DPTR,#8004H ;段选通

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR,#8002H ;位选通

MOV A,R2

MOVX @DPTR, A ;显示第一个数码管

CALL DELAY

MOV A,R2 ;显示下一个数码管

RR A

MOV R2,A

INC R0

DJNZ R1,LOOP

MOV DPTR,#8002H

MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A ;关闭所有数码管

DJNZ R4,DISPLAYLED

RET

BAOJING: ;超过30度报警模块CLR C

SUBB A,#30

JNC XIANG

CLR P1.1

RET

XIANG:

SETB P1.1

RET

MAIN:

CALL READ ;调用读取ADC转换结果并存储模块

CALL LEDRESULT ;调用结果输出模块

CALL DISPLAYLED ;调用LED输出显示模块

SJMP MAIN

END

总结

一周的学习和设计转瞬即逝，课程设计题目是热敏电阻温度测量系统的设计不仅巩固了以前所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。遇到一个问题时，最重要的一件事就是马上思考检查问题出在哪边，而不是抱怨或者马上请教同学老师。只有这样我们才能真正的学会单片机，自己的独立处理问题的能力才会得到提高。还有无论编程中遇到什么问题，都不要怨天尤人。无论自己的程序有多好，都不能骄傲。只有这样做到不骄不躁，力量才会源源不断，才会有更多的创新想法。

在刚开始时我毫无头绪，尤其是输出精度为0.1精度，之后通过看书、和老师、同学交流，慢慢找到了头绪，同时加深了对单片机理论的理解，也尝试了其他题目：测量脉冲宽度和频率，虽然还有点局限性，但也加深了我对所学单片机汇编语言命令的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。但同时，我也从这次课设中认识到了自己的不足。在老师的指导之下，学到了很多有用的经验和使用的知识。而且还得感谢身边同学的帮助和交流，在互相帮助和交流的过程中能够学到很多知识，在此感谢老师及同学对我的帮助。汇编程序语言是长期追寻和探索的编程语言，值得我们去探寻。

参考文献

1. 陈晓忠、黄宁、赵小侠.《单片机接口技术使用子程序》.人民邮电出版社，

2005年

2. 求实科技.《单片机典型外围器件及应用实例》.人民邮电出版社，2006年：

3. 求实科技.《单片机典型模块设计实例导航》.人民邮电出版社，2008年

4. 张淑清、姜万录.《单片机原理及应用技术》.国防工业出版社，2001年：

5. 姜志海.《电片机原理及应用[M]》.北京：电子工业出版社，2005

6. 吴金戎.《8051单片机实践与应用[M]》.北京:清华大学出版社，2005

7. 边春远，王志强.《MCS51单片机应用开发实用子程序》.人民邮电出版社

出版发行，2005年