数字式热敏电阻温度计设计

数字式热敏电阻温度计设计

摘要

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，所以温度测量技术和测量仪器的研究是一个重要的课题。随着时代的进步和发展，单片机技术已经伸入到各个领域，基于单片机数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，其输出温度采用数字显示。

本设计是基于单片机的温度测试系统，采用热敏电阻搭建电桥，进行温度测试。利用高精密仪表放大器PGA203对小信号进行放大，该芯片具有失调电压小，输入阻抗高，共模抑制比高等特点。在进行模数转换是使用TLC4535将模拟信号转换为数字信号。TLC4535是14位的串行AD，具有转换速率高，低功耗等特点。51单片机作为主控制器件进行数据运算。该系统能较好的对温度变化进行实时显示，达到了本设计的要求。

关键字：单片机仪表放大器串行AD 温度电桥

The design of digital thermistor trermometer

ABSTRACT

Temperature as an important physics, industrial production process in the most general, one of the most important parameters, so the temperature measurement technology and measurement instrument research is an important topic. With the progress of The Times and development, microcontroller technology has dipped into various areas, based on single-chip digital thermometer and traditional thermometer readings, compared with convenient, temperature measurement range, its output temperature using digital display.

The design is based on single-chip temperature test system, build a bridge thermistor temperature test. High-precision instrumentation amplifier PGA203 small signal amplification, the chip has a small offset voltage, high input impedance, common mode rejection ratio and high。During the analog to digital conversion is to use the TLC4535 to convert analog signals to digital signals.TLC4535 14 serial AD, with a high conversion rate, low power consumption characteristics. 51 microcontroller as the main control device for data operations. The system can be better to temperature changes in real-time display to achieve the design requirements.

Keywords：Sigle-chip Instrumentatioa amplifier Serial the AD Temperature bridge

目录

第1章绪论

1.1 课题背景 (1)

1.2国内外测温状况 (1)

1.3温度检测技术介绍 (3)

第二章数字式热敏电阻温度计的设计方案

2.1 方案一 (5)

2.2 方案二 (5)

2.3方案比较与选择 (6)

第三章设计原理与结构

3.1温度测量电桥结构及工作原理 (8)

3.1.1温度电桥的介绍 (8)

3.1.2电路工作原理 (9)

3.1.3.电路分析 (10)

3.2仪表放大器的结构及使用方法...................... 错误！未定义书签。

3.3.OP07的介绍及应用 (19)

3.4. TLC3545的介绍及应用 (24)

3.5单片机介绍...................................... 错误！未定义书签。

3.6 LED显示器简介 (21)

3.6.1 LED显示器结构 (21)

3.6.2 LED显示器分类 (22)

3.6.3 LED显示器的参数 (22)

3.7 LED显示器工作原理 (22)

3.8 键盘电路设计................................... 错误！未定义书签。

3.8.1键盘的作用................................ 错误！未定义书签。

3.8.2键盘电路及其说明 (27)

3.8.3 键盘的机械抖动 (27)

第四章系统结构及工作原理

4.1系统硬件原理图及相关说明 (28)

4.1.1 基于80C51单片机及其外围电路的主机控制单元 (11)

4.1.2 PGA203组成的仪表放大器 (16)

4.1.3 TLC3545串行AD (24)

4.1.4 LED数字显示及其驱动电路 (20)

第五章系统程序的设计

5.1程序模块设计 (32)

5.2 仿真环境介绍................................... 错误！未定义书签。

5.2.1 Keil介绍 (33)

5.2.2 Proteus介绍.............................. 错误！未定义书签。总结. (34)

参考文献 (35)

附录 (36)

第1章绪论

1.1课题背景

“工欲善其事，必先利其器”，这是中国的一句古话，人们早就知道工具的重要性。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表作用的认识愈加深入。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。而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，对温度测量的要求越来越高，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，温度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的研究课题。

温度传感器是当前温度检测的主要器件，本课题的主要出发点是设计出测量温度检测的温度连续检测的仪器。

该论文主要讲述了用温度传感测温的主要原理、实际硬件电路的设计、软件设计和调试分析。第一章介绍了温度检测现状和仪器仪表的发展现状。第二章提出了几种单片机数字温度计的设计方案并作出比较。第三章讲述了单片机系统硬件电路的设计过程，包括对智能温度传感器DS18B20详细的介绍以及单片机系统的设计，并讲述了仪器的软件设计，给出了软件流程图，整套仪器是由单片机系统控制的，包括LED显示器、通讯接口等。第四章进行系统调试分析，这将有助于今后对系统的改进，以进一步提高系统的测量精度，并讲述了通过本设计所得的结论和心得体会。

1.2国内外测温状况

随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：

（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计

利用此原理制成的温度计大致分成三大类：

a 玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的；

b 双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度；

c 压力式温度计，它是由感温物质（氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点

液体如氯甲烷、氯乙烷等）随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。

（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种：

a 镍铬-镍硅，型号为WRN ，分度号为K ，测温范围0-900℃，短期可测1200℃。

b 镍铬-康铜，型号为WRK ，分度号为F ，测温范围0-600℃，短期可测800℃。

c 铂铑-铂，型号为WRP ，分度号为S ，在1300℃以下的温度可长期使用，短期可测1600℃。

d 铂锗30-铂锗6，型号为WRR ，分度号为B ，测温范围300-1600℃，短期可测1800℃。

（3）利用热阻效应技术制成的温度计

用此技术制成的温度计大致可分成以下几种：

a 电阻测温元件，它是利用感温元件（导体）的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻（分度号为Pt100，Pt10两种）和铜热电阻（分度号有Cu5O ，Cu100两种）。

b 导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大副温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。他们的关系为： 0011()B T T T T R R e -= （1.1）

式中 RT －在温度T(K)时的电阻值；

RT0－在温度T0(K)时的电阻值；

e －自然对数的底；

B －常数，其值与半导体材料的成分和制作方法有关。

c 陶瓷热敏元件

它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCI ，或NCI 热敏元件。PCT 热敏元件分为突变型和缓变型两类。突变型PCT 元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型PCI 元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。NCI 元件特性与PGT 元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小[1]。

（4）利用热辐射原理制成的高温计

辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种：

一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。

（5）利用声学原理进行温度测量

声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。

1.3温度检测技术介绍

近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。

（1）晶体管温度检测元件

半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大1－2个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件。

（2）集成电路温度检测元件

利用硅晶体管基极－发射极间电压与温度关系（即半导体PN结的温度特性）进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。

（3）核磁共振温度检测器

所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。

（4）热噪声温度检测器

它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点是：

a 输出噪声电压大小与温度是比例关系；

b 不受压力影响；

c 感温元件的阻值几乎不影响测量精确度；

所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。

（5）石英晶体温度检测器

它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它利用μP技术，自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001℃，所以可作标准检测之用。

（6）激光温度检测器

激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达1%；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达3000℃，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。

（7）微波温度检测器

采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHZ/℃，精度为 1%左右，检测范围为20℃－1400℃。

（8）纯贵金属热电偶的研究

由两种纯金属组成的热电偶，因其材料均匀性远优于合金材料，因而稳定性好得多。在铂铑合金热电偶（S，R型）的不确定度已很难提高之后，人们开始寻找由纯贵金属组成的热电偶，以代替S和R型热电偶，作为传递的标准。

（9）信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表

现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表（温度检测仪表是其中一种）均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各有不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。

第二章数字式热敏电阻温度计的设计方案

2.1方案一

本方案主要是在温度检测部分利用了一款新型的温度检测芯片DS18B20，这个芯片大大简化了温度检测模块的设计，它无需A/D转换，可直接将测得的温度值以二进制形式输出。该方案的原理框图和硬件原理图如图2.1和图2.2所示：

图2.1 方案（一）系统结构框图

DS18B20是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件，它是单片结构，无需外加A/D即可输出数字量，通讯采用单线制，同时该通讯线还可兼作电源线，即具有寄生电源模式。它具有体积小、精度易保证、无需标定等特点，特别适合与单片机合用构成智能温度检测及控制系统。

图2.2 方案（一）系统硬件原理图

2.2方案二

系统的硬件电路包括微控制器部分（主机），温度检测，人机对话（键盘/显示）

三个主要部分。系统结构框图和硬件原理图分别如图2.3和图2.4所示:

图2.3 方案（二）系统结构框图

温度检测部分采用传统的热敏电阻，热敏电阻的阻值随环境温度变化而变化，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号，经A/D转换器将其转换为单片机可识别得二进制数字量，单片机主要控制LED显示器显示正确的温度值，LED显示器实现显示功能。

图2.4 方案（二）系统硬件原理图

2.3方案比较与选择

方案（一）与方案（二）的主要区别在温度检测部分，方案（一）主要利用DS18B20这块芯片进行温度检测，并将采集到的模拟量转换为单片机识别的二进制数。方案（二）是采用热敏电阻检测温度，然后利用A/D转换器将温度模拟量转换为二进制数供单片机处理。

方案（二）与方案（一）相比，它最大的特点就是它能检测的温度范围很大，热敏电阻的性能决定了整个设计的所能检测的温度范围。方案（一）的温度检测范围已经由系统中的DS18B20的特性所决定，它能检测的温度范围为-55℃到120℃，其温度检测范围很宽，已能足够满足一般测量需要，从整体上来看方案（二）比方案（一）更具有实际的锻炼意义，因为我们方案（一）是利用现有的智能温度传感芯片DS18B20，他无需A/D转换，直接输出数字量，所以本设计中所使用的温度测量电路是方案（二）的电路。

第三章系统硬件设计及工作原理

3.1系统的整体硬件框图

本系统温度测量模块主要为温度电桥，温度电桥采用高精度正温度系数阻值大小为10K的热敏电阻和20K的定值电阻进行分压，将温度信号转化为电信号。量程转换模块主要是利用仪表放大器PGA203对电压信号进行放大，以避免温度转换的电压信号太小。信号处理模块主要是利用OP07搭建的反相放大器使信号满足A/D转化器对模拟输入信号的要求。A/D转换器利用TLC3545将模拟信号转化为数字信号，送入到单片机。最后数据经过单片机处理，驱动数码管进行温度显示。

图3.1 系统的整体硬件框图

3.2温度测量电桥结构及工作原理

3.2.1温度电桥的介绍

温度电桥的主要元件是热敏电阻。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金

属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt=Rt0[1+α(t-t0)] （3.1）式中，Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 Rt=AeB/t （3.2）式中Rt为温度为t时的阻值;A、B取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上)，但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。

3.2.2电路工作原理

热敏电阻RT和R1、R2、R3及RPl组成一个测温电桥。在温度为20℃时．选择R1和R9并调节RP、使电桥平衡。当温度升高时，热敏电阻的阻值变小，电桥处于不平衡状态．电桥输出的不平衡电压，由运算放大器放大，放大后的不平衡电压引起接在运算放大器反馈电路中的微安表的相应偏转，从而显示相应温度。热敏电阻选用的阻值在500—50000范围之内。其温度电桥电路如下所示：

图3.2 温度测量电桥电路

3.2.3.电路分析

1、电桥的基本知识及上述电路电桥分析

电桥的基本电路如图4.3所示

（3.3）

(1) 电桥输出电压:

（3.4）

（2）电桥的平衡条件

（3.5） 温度电桥示意图如下所示：

图3.3 温度电桥原理图

（3）电桥的灵敏度 如电桥开始处于平衡状态,当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡,其输出为:

a b 211R R u I i +=432R R u I i +=i i ad ab o u R R R R R R R R u R R R R R R R I R I u u u ))(((

432142314342112211++-=+-+=-=-=4231R R R R =

（3.6）

一般?R 很小,即?R<

所以

（3.8）

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，即

（3.9）

半桥单臂接法:

电桥电路的灵敏度为

（3.10）

故图1所示电路的灵敏度为 S=U0/4.

因此，适当增加图3.2所示电路的工作电压，可以提高电路的灵敏度。

3.3基于80C51单片机的主机控制单元

目前，单片机的种类很多，MCS-51 8位单片机系列、MCS-96 16位单片机系列，还出现了32位单片机。位数越高，运算速度越快。本系统在数据处理上速度要求不是很高，8位单片机即可。因此，选用MCS-51系列单片机。考虑到功耗问题（如：8051功耗为630mw ，而80C51为120mw ），本系统选用CHMOS 工艺的芯片。又因本系统需要处理数量较大的数据，程序占用空间也较大，而对定时器计数器和中断源的数量要求不多。结合现有的单片机开发系统（伟福仿真器E6000），本系统选用80C51系列单片机。

80C51单片机功能强、I/O 口多，它们分别是P0口、P1口、P2口和P3口。本设计中利用了其中的2个I/O 口，与本系统其它部分连接，分别实现了不同的功能。考

i o u R R R R R R R R R R R R R R R R u ))(())(())((4433221144223311?++?+?++?+?+?+-?+?+=4231R R R R =i o u R R R R R R R R R R R R u )()(4433221122121?-?+?-?+=04321R R R R R ====0

4321:R R R R R ?=?=?=?=? 若i o u R R u 004?≈0

0R R <

虑到设计程序时能更加方便故采用单片机总线的结构地址，其地址的分配主要是利74LS138进行选址。其主要示意图如下所示：

图3.4 单片机地址选择示意图

3.3.1单片机的引脚及其功能

各引脚的功能介绍如下所示：

（1）VCC：运行和程序校验时接电源正端。

（2）GND：接地。

（3）P0口：P0口是一个8位、漏极开路的双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0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。

（4）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4个TTL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。

（5）P2口：P2口是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。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。

（6）P3口：P3口是一个8位带内部上拉电阻的准双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它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，这是由于上拉的缘故。P3口既可以读引脚，也可以读锁存器，实现“读—修改—输出”操作。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口可同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号，提供各种替代功能。

（7）RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将单片微机复位。

（8）ALE/PROG：地址锁存允许信号，输出。ALE可以驱动8个LSTTL负载。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低8位字节，以实现低8位地址与数据的隔离。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时钟或用作外部定时脉冲。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指令时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ALE禁止，置位无效。

（9）/PSEN：片外程序存储器读选通信号，低电平有效。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。/PSEN可以驱动8个LSTTL负载。

（10）/EA/VPP：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。当/EA=1时，选择片内程序存储器（80C51为4KB，80C52为8KB）；当/EA=0时，则程序存储器全部在

片外，而不管片内是否有程序存储器。

使用80C51时，/EA必须接地，使用8751编程时，/EA施加21V的编程电压。

（11）XTAL1：输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片微机，此引脚应该接地；对CHMOS单片微机，此引脚作驱动端。

（12）XTAL2：反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。当采用外部振荡器时，XTAL2接受振荡器信号，对CHMOS单片微机，此引脚应悬浮。

AT89C51的引脚如下图所示：

图3.5 AT89C51的引脚图

3.3.2单片机的时钟电路

时钟电路是单片机最小系统的一部分，它用于产生单片微机工作所需要的时钟信号，单片微机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频