【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擇哪種傳感器?？晒┻x擇的條件是傳感器尺寸 (如直徑及長(zhǎng)度 )、傳感器類型、保護(hù)材料以及傳感器結(jié)構(gòu)等。 (3)溫度響應(yīng) 這主要是由傳感器的質(zhì)量、材質(zhì)與體積決定的。接觸式傳感器的時(shí)間常數(shù)愈小，溫度響應(yīng)愈快；非接觸式溫度傳感器一般都具有足夠靈敏度，響應(yīng)無(wú)問(wèn)題等特點(diǎn)。 (4)傳輸方式 所謂傳輸方式是指溫度傳感器將溫度信號(hào)傳送到溫度顯示儀 (或顯示記錄儀 )的組成方式。如有的溫度測(cè)量要求不高，需要就地顯示，即可采用普通液柱式溫度 計(jì)或氣壓溫度計(jì)；有的需要遠(yuǎn)距離傳送，則應(yīng)采用熱電偶等電傳式溫度計(jì) [1]。 數(shù)值溫度計(jì)研制的意義 目前，幾乎所有的科研和生產(chǎn)過(guò)程都和溫度密切相關(guān)。因而，準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度，對(duì)于獲得正確的科研數(shù)據(jù)和保證產(chǎn)品質(zhì)量都是十分重要的。例如，對(duì)于超低溫物理和超高溫物理現(xiàn)象、等離子加熱技術(shù)及快速凝固技術(shù)的研究，都需要準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度；又如在金屬冶煉過(guò)程中，若溫度得到準(zhǔn)確控制，則能源消耗可降低 17%、勞動(dòng)生產(chǎn)率可提高 18%而且金屬產(chǎn)量可增加 15%。因此，正確地進(jìn)行溫度的測(cè)量與實(shí)時(shí)的溫度顯示和及時(shí)的高溫警報(bào)， 對(duì)于新材料的研究與生產(chǎn)、促進(jìn)科技的發(fā)展以及生產(chǎn)水平的提高都具有重要的意義。而且該設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)還應(yīng)具備方便攜帶，數(shù)據(jù)采集直觀、準(zhǔn)確、快速，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 本章小結(jié) 本章介紹了溫度測(cè)量的歷史背景、測(cè)量方法還有溫度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)考慮的問(wèn)題。同時(shí)也介紹了根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合的多種溫度測(cè)量系統(tǒng)，以及它們各自具有哪些優(yōu)缺點(diǎn)和使用過(guò)程中應(yīng)注意些什么問(wèn)題。面對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)發(fā)展，特別單片機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。使用熱敏電阻作傳感器，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示溫度是一種可行的方法。而且單片機(jī)具有工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、控制顯示直 觀等優(yōu)點(diǎn)，這在實(shí)際科研或者生產(chǎn)過(guò)程都是很有實(shí)用價(jià)值的 [2]。同時(shí)該設(shè)計(jì)使用的熱敏電阻，價(jià)格便宜，與數(shù)字式溫度傳感器相比，大大地降低了溫度計(jì)的制作成本，所以該數(shù)值溫度計(jì)的研制很有市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 第 2章 系統(tǒng)概述 系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo) 該設(shè)計(jì)的數(shù)值溫度計(jì)的技術(shù)參數(shù) (1)熱敏電阻的工作溫度范圍： 0～ 230℃； (2)系統(tǒng)電路的工作溫度范圍： 0～ 90℃； (3)電壓分辨率是： 20mV； (4)系統(tǒng)的測(cè)溫精度是： 1℃ ； (5)采用 LED動(dòng)態(tài)顯示方式； (6)電阻變化范圍： 0～ 30k?； (7)系統(tǒng)額定功率：≤ ； (8)通道： 1。 系統(tǒng)功能介紹 本文介紹了一種采用熱敏電阻作為溫度傳感器 , 利用 8051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和溫度顯示的硬件電路。這次使用的熱敏電阻是一個(gè)已經(jīng)封裝在銅管內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的常溫阻值是 10k?的產(chǎn)品。由于它的封裝性好，可以直接將它放進(jìn)待測(cè)物體中進(jìn)行接觸式溫度測(cè)量。 以下是購(gòu)買的熱敏電阻的封裝尺寸如下： (1)圓柱底面直徑： 5mm。 (2)圓柱高： 25mm。 (3)導(dǎo)線長(zhǎng)： 350mm。 而利用熱敏電阻開發(fā)溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)主要應(yīng)用到以下各方面 : (1) 電子溫度計(jì)、電子萬(wàn)年歷、電子鐘溫度顯示、電子禮品； (2) 冷暖設(shè)備、加熱恒溫電器； (3) 汽車電子溫度測(cè)控電路； (4) 溫度傳感器、溫度儀表； (5) 醫(yī)療電子設(shè)備、電子盥洗設(shè)備； (6) 手機(jī)電池以及充電電器。 本章小結(jié) 本章主要介紹了研制的數(shù)值溫度計(jì)的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)以及關(guān)于該溫度計(jì)的一些功能介紹。指出了該數(shù)值溫度計(jì)工作條件、測(cè)溫精度還有顯示方式等等。由于該溫度計(jì)采用的感溫元件已經(jīng)被封裝好，所以大大降低了由于在測(cè)量高溫液體或者氣體時(shí)造成元器件損壞的可能性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到多種場(chǎng)合的溫度測(cè)量和控制。 第 3章 方案論證 傳感器的選擇 熱敏電阻的種類 (1)按結(jié)構(gòu)及形狀分類 ——圓片形 (片狀 )、圓圈形 (墊圈形 )和桿狀阻體等多種熱敏電阻器。 (2)按溫度變化的靈敏度分類 ——高靈敏度型 (突變型 )、低靈敏度型 (緩變型 )熱敏電阻器。 (3)按受熱方式分類 ——直熱式熱敏電阻器、旁熱式熱敏電阻器。 (4)按溫度變化特性分類 ——正溫度系數(shù) (PTC)、負(fù)溫度系數(shù) (NTC)熱敏電阻器。 熱敏電阻的主要參數(shù) 除標(biāo)稱阻值、額定功率 和允許偏差等基本指標(biāo)外，還有如下指標(biāo)： (1)測(cè)量功率：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體受測(cè)量電源加熱而引起阻值變化不超過(guò) %時(shí)所消耗的功率。 (2)材料常數(shù)：是反映熱敏電阻器的熱靈敏度的指標(biāo)。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。 (3)電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每增加（或減少） 1℃所引起電阻值的相對(duì)變化量。 (4)熱時(shí)間常數(shù)：指熱敏電阻器的熱惰性。即在無(wú)功功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)，電阻體溫度由初值變化到最終溫度之差的 %所需的時(shí)間。 (5)耗散系數(shù)： 指熱敏電阻器的溫度每增加 1℃所耗散的功率。 (6)開關(guān)溫度：指熱敏電阻器的零功率電阻值為最低電阻值兩倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。 (7)最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)所允許承受的最高溫度。 (8)標(biāo)稱電壓：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在規(guī)定的溫度下，與標(biāo)稱工作電流所對(duì)應(yīng)的電壓值。 (9)工作電流：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在正常工作狀態(tài)下的規(guī)定電流值。 (10)穩(wěn)壓范圍：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓的范圍值。 (11)最大電壓：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻器能正常工作時(shí)所 允許連續(xù)施加的最高電壓值。 (12)絕緣電阻：指在規(guī)定的環(huán)境條件下，熱敏電阻器的電阻體與絕緣外殼之間的電阻值。 熱敏電阻的靈敏度 (1)正溫度系數(shù)熱敏電阻器 結(jié)構(gòu) ——用鈦酸鋇 (BaTiO3)、鍶 (Sr)、鋯 (Zr)等材料制成的。屬于直熱式熱敏電阻器。 特性 ——電阻值與溫度變化成正比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值隨之增大。在常溫下，其電阻值較小，僅有幾歐姆～幾十歐姆；當(dāng)流經(jīng)它的電流超過(guò)額定值時(shí)，其電阻值能在幾秒鐘內(nèi)迅速增大至數(shù)百歐姆～數(shù)千歐姆以上。 作用與應(yīng)用 ——廣泛應(yīng)用于彩色 電視機(jī)消磁電路、電冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)電路及過(guò)熱或過(guò)電流保護(hù)等電路中、還可用于電驅(qū)蚊器和卷發(fā)器、電熱墊等小家電中。 (2)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 結(jié)構(gòu) ——用錳 (Mn)、鈷 (Co)、鎳 (Ni)、銅 (Cu)、鋁 (Al)等金屬氧化物 (具有半導(dǎo)體性質(zhì) )或碳化硅 (SiC)等材料采用陶瓷工藝制成的。 特性 ——電阻值與溫度變化成反比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值隨之減小。 作用與應(yīng)用 ——廣泛應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)器、微波爐、電烤箱、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等家電及辦公產(chǎn)品中，作溫度檢測(cè)、溫度補(bǔ)償、溫度控制、微波功率測(cè)量及穩(wěn)壓控制用。 所以根據(jù)不同的用途， NTC熱敏電阻又可分為兩類：一類是電阻值與溫度之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系的負(fù)指數(shù)型 NTC，一般用于測(cè)量溫度，且測(cè)量范圍較寬；另一類為突變型 NTC，當(dāng)其溫度上升到某一設(shè)定值時(shí)，其電阻值突然下降，多用于各種電子電路中抑制浪涌電流，起保護(hù)作用。 同樣， PTC 熱敏電阻也可分為突變型 PTC與線性型 PTC兩類，突變型 PTC 溫度范圍較窄，一般用于恒溫加熱控制或溫度開關(guān)，也用于彩色電視機(jī)中作自動(dòng)消磁元件；線性型 PTC可用于作溫度補(bǔ)償或作溫度測(cè)量， NTC熱敏電阻和 PTC熱敏電阻的溫度 ——電阻特性曲線如 圖 31所示 [1]。 (1)變型 NTC (2)負(fù)指數(shù)型 NTC (3)線性型 PTC (4)突變型 PTC 圖 31 熱敏電阻的溫度 —電阻特性曲線 一般的 NTC熱敏電阻測(cè)溫范圍為－ 50～＋ 300℃，而一些高溫?zé)崦綦娮杩蓽y(cè)＋ 700℃，而一些低溫?zé)崦綦娮杩蓽y(cè)到－ 250℃。 熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn) (l)電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值大，因而靈敏度高，測(cè)量線路簡(jiǎn)單。甚至不用放大器便可輸出幾伏的電壓； (2)體積小，重量輕、熱慣性??； (3)本身電阻值大，不需要考慮引線帶來(lái)的誤差，因此適于 遠(yuǎn)距離測(cè)量； (4)熱敏電阻產(chǎn)品已系列化，便于設(shè)計(jì)選用； (5)工作壽命長(zhǎng)，而且價(jià)格便宜。 熱敏電阻的缺點(diǎn) (1)非線性大，應(yīng)用時(shí)要在電路上進(jìn)行線性化補(bǔ)償； (2)穩(wěn)定性稍差，會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象； (3)同一種型號(hào)有 3%～ 5%的阻值誤差，所以一致性差，要互換時(shí)則要進(jìn)行挑選。 由上述優(yōu)缺點(diǎn)可知，熱敏電阻一般不適用于高精度溫度測(cè)量及控制，但在測(cè)溫范圍較小時(shí)，也可獲得較好的精度。它非常適用于家用電器、空調(diào)器、復(fù)印機(jī)、電子體溫計(jì)等產(chǎn)品中作測(cè)溫元件。 從圖 31可以看出，熱敏電阻的阻 值 ——溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，因此在使用時(shí)要進(jìn)行線性化處理，因?yàn)榫€性化處理只能在一定程度上改善熱敏電阻的非線性。所以我在這里首先硬件上采用串聯(lián)電阻改善其變化趨向線性化，而軟件上作出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，以簡(jiǎn)化計(jì)算。 熱敏電阻的應(yīng)用是為了感知溫度。為此給熱敏電阻以恒定的電流，測(cè)量電阻兩端所得到的一個(gè)電壓差值就可以將溫度變化轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)的變化。而把熱敏電阻兩端的電壓差值經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量信號(hào)，然后由單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)軟件方法計(jì)算得出當(dāng)前溫度值，再進(jìn)行顯示控制， 就成功完成對(duì)溫度的檢測(cè)與顯示 [1]。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇 在現(xiàn)代過(guò)程控制及各種智能儀器和儀表中，為采集被控 (被測(cè) )對(duì)象數(shù)據(jù)以達(dá)到由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、檢測(cè)的目的，常用微處理器和 A/D轉(zhuǎn)換器組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 ADC0804是用 CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率 8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100μs，輸入電壓范圍為 0～ 5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在 CPU數(shù)據(jù)總線上，無(wú)須附加邏輯接口電路。由于該芯片應(yīng)用方便 、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，我在這里也采用了它。該芯片的連接原理框圖如圖 32所示： 圖 32 ADC0804電路連接圖 顯示電路的選擇 該電路系統(tǒng)采用四位 8段的共陽(yáng)極掃描型數(shù)碼管進(jìn)行溫度顯示。 動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的 8個(gè)筆劃段 a——h同名端連在一起，而每一位數(shù)碼管的公共極 COM是各自獨(dú)立地受 I/O線控制。 CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)顯示器亮，則取決于 COM端，而這一端是由 I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的 COM端，使各位顯示器輪流點(diǎn)亮。 在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的 (約 2ms)，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。在我們?nèi)搜劭磥?lái)，就覺得是四位數(shù)字同時(shí)顯示的感覺。 本章小結(jié) 本章首先從材料上來(lái)講解了熱敏電阻隨溫度改變而阻值變化的原理。然后 介紹了熱敏電阻的幾種分類方法以及相應(yīng)的電阻型號(hào)。接著又介紹了與熱敏電阻相關(guān)的主要參數(shù)和靈敏度以及熱敏電阻的優(yōu)、缺點(diǎn)。最后介紹了該設(shè)計(jì)中所選用的 A/D轉(zhuǎn)換器（ ADC0804）的應(yīng)用電路特點(diǎn)。至于顯示部分則采用四位 8段的共陽(yáng)極進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，既減少了電路的元器件又降低了整機(jī)電路的功耗。經(jīng)過(guò)以上分析證明：該數(shù)值溫度計(jì)采用這些元器件組合而成的測(cè)溫系統(tǒng)是可行的，系統(tǒng)的制作成功率高。證實(shí)系統(tǒng)的初步方案理論上可行。 第 4章 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì) 總體思路和電路結(jié)構(gòu)框圖 本電路系統(tǒng)主要應(yīng) 用的溫度范圍在 0℃～ 230℃之間。系統(tǒng)的輸入電壓為直流＋ 7V～＋ 12V，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成為＋ 5V電壓給電路的各個(gè)子系統(tǒng)供電。 首先是穩(wěn)壓電源，在電路中加入濾波電路，這里采用電容濾波法，去掉電源中的諧波信號(hào)。接著就是將輸入的直流電壓再經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后得到＋ 5V的直流電源。此穩(wěn)壓電源便是整個(gè)電路系統(tǒng)的唯一的供電電源。 硬件包括直流穩(wěn)壓電路、單片機(jī)系統(tǒng)、熱敏電阻測(cè)量電橋電路以及 A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼管顯示模塊和高溫警報(bào)模塊 [3]。電路系統(tǒng)框圖如圖 41所示。 圖 41 電路系統(tǒng)框圖 電源電 路的設(shè)計(jì) 三端穩(wěn)壓管 7805 目前，電子設(shè)備中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器，性能指標(biāo)高而使用方便 ,并極大地簡(jiǎn)化了電源的設(shè)計(jì) ,促進(jìn)了電子設(shè)備中的穩(wěn)壓器向通用化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。由于它只有輸入端、輸出端和公共端三個(gè)引線端子，故稱之為三端式穩(wěn)壓器。 三端穩(wěn)壓器的電路原理圖符號(hào)如圖 42 所示： 圖 42 三端穩(wěn)壓器原理圖符號(hào) 圖 43 三端穩(wěn)壓器元件封裝 而它的電路封裝如圖 43所 示?？梢钥闯鲈撔酒慕涌谙喈?dāng)簡(jiǎn)單，而且在電路排板中也不會(huì)出現(xiàn)什么大困難。 三端穩(wěn)壓器由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保