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基于熱敏電阻的溫度檢測裝置的設計-在線瀏覽

2025-02-09 09:40本頁面
  

【正文】 語言源程序 33 附錄二:系統(tǒng)設計原理圖 41 附錄三:實物照片 41 附錄四:元器件清單 43 [鍵入文字 ] 第 4 頁 共 41 頁 第 1 章 前言 設計背景 在人類的生活環(huán)境中,溫度扮演著極其重要的角色。自 18 世紀工業(yè)革命以來,工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。溫度對于工業(yè)如此重要,由此推進了溫度傳感器的發(fā)展。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,溫度檢測及其控制占有舉足輕重的地位,隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn) ,能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應用于諸多領域。模擬信號在長距離傳輸過程中,抗電磁干擾時令設計者傷腦筋的問題,對于多點溫度檢測的場合,各被檢測點到監(jiān)測裝置之間引線距離往往不同,此外,各敏感元件參數(shù)的不一致,這些都是造成誤差的原因,并且難以完全清除。采用單片機對溫度采集進行控制,不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點,而且可以大幅度提高被控數(shù)據(jù)的技術指標,從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。要及時正 確地獲取各種信息,解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種具體的檢查問題,就必須合理選擇和善于應用各種傳感器及傳感技術。但是,熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器。熱敏電阻器是敏感元件的一類 ,按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器( PTC)和負溫度系數(shù)熱敏電阻器( NTC)。正溫度系數(shù)熱敏電阻器( PTC)在溫度越高時電阻值越大,負 溫度系數(shù)熱敏電阻器( NTC)在溫度越高時電阻值越低,它們同屬于半導體器件。他具有體積小、靈敏度高、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價格便宜等優(yōu)點 ,最重要的是作為溫度傳感器的熱敏電阻的靈敏度非常高,這是其他測溫傳感器所不能比擬的。 :溫度測量范圍為 常溫 靈敏度為177。通用微型計算機系統(tǒng)所有的軟硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)進行工作。 (3) 系統(tǒng)的軟硬件的應用配置比較小,系統(tǒng)的成本較高,但二次開發(fā)時,軟硬件擴展能力較好。 [鍵入文字 ] 第 6 頁 共 41 頁 它是由單片機及其些外圍芯片構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),是近年來微 機技術快速發(fā)展的結果,它具有如下特點 : (1) 系統(tǒng)不具有自主開發(fā)能力,因此,系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)必須借助開發(fā)工具。系統(tǒng)的軟件一般都有應用程序。應用程序在 ROM 中運行不會因外界的干擾而破壞,而且上電后系統(tǒng)立即進入用戶狀態(tài)?;?DSP 數(shù)字信號微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點如下 :精度高、靈活性好、可靠性好、容易集成、分時復用等,但其價格不菲。 [鍵入文字 ] 第 7 頁 共 41 頁 第 2章 熱敏電阻的溫度檢測裝置的系統(tǒng)論證 溫度傳感器的選擇 測量溫度的關鍵是溫度傳感器,因此需要靈敏度高、測溫范圍寬、穩(wěn)定性好,同時還要考慮成本和實際情況。部分功能電路的集成,使總體硬件設計更簡潔,能有效地降低成本, 搭建電路和焊接電路時更快,調(diào)試也更方便簡單化 ,但是這個溫度傳感器適用于精密溫度測量系統(tǒng)中。多年來 ,已經(jīng)有幾種熱電偶成為標準 ,在美國 ,NIST 公布了八種熱電偶 ,讓字母代碼來識別的毫伏~溫度表。 對比之后,根據(jù)實際的應用需求,本設計采用方案二熱敏電阻傳感器。該電路可分為阻抗變換和溫度補償兩級,阻抗變換器 A1 是一個電壓跟隨器,它的作用是把來自傳感器送來的與溫度成比例變化的,溫度補償器 A2 是一個同相電壓放大器,電路元件可根據(jù)同相電壓放大器基本原則進行選取,這一級的作用是將阻抗變換級送來的電壓信號進行放大,同時 吸取來自鉑熱 Rt 送來的與 溫度成比例變化的電阻信號,這個電阻信號去改變放大器的靈敏度,使放大器的輸入電壓 V0 與溫度無關。 圖 21為 自動溫度補償電路 方案二: 溫度補償 還可以 采用簡單的查表法從電壓值中查出相應的溫度值。 本設計所采用的 NTC熱敏電阻 所對應溫度補償表如表 21;如圖 22 所示的是電阻溫度 曲線圖,溫度隨阻值的增加而減小;無論什么補償都有誤差,電阻與溫度的誤差如圖 23所示。 5% B25/50=3950K 精度 :177。 溫度核心模塊 方案一: S08AW60 擁有 62KB 片上在線可編程 FLASH 存儲器 和 2KB 片上 RAM, 具有模塊保護與[鍵入文字 ] 第 12 頁 共 41 頁 安全選項功能 , 支持 ~ 電源。其內(nèi)部集成了 高性能模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器( ADC) 和 串行通信模塊 , 具有很寬的工作溫度范圍 ( 40℃ ~ +125℃ ),可適應 各類惡劣環(huán)境 。 方案二: STC89C52 是一種低功耗、高性能 8位微控制器,具有 8K系統(tǒng)可編程 FLASH 存儲器和 256字節(jié) ROM,可實現(xiàn) 0Hz~ 33Hz 的全靜態(tài)操作,支持 ~ 電源。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。 對比之后,根據(jù)實際的應用需求,本設計選用方案二 STC89C52,因為具有 ISP功能,可直接通過串口下載用戶程序, 方便調(diào)試程序,內(nèi)部 8 KB 的 FLASH E2PROM 使用戶編制的程序及需要顯示的字母、 數(shù)字、漢字和圖形都可以存儲在里面,免去了擴展外部存儲器的麻煩,因此以 STC89C52 單片機為核心的控制系統(tǒng)電路更簡單,十分適用于液晶顯示,在智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中被廣泛選用。 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示,多片七段譯碼器驅(qū)動顯示,這不僅增加了成本,還需要占用單片機多個 I/O口,也給電路的焊接帶來一定的困難,因此不選用這種方案作為顯示模塊,所以排除此方案。采用動態(tài)掃描顯示,也就是在顯示過中,輪流向各位送出字形碼和相應的字位選擇,同一時刻只有一位顯示,其他各位熄滅。 方案三: LCD 液晶顯示 ,由單片機驅(qū)動 .它主要用來顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形,能夠顯示的位數(shù)多,顯示得清晰多樣、美觀,同時液晶顯示器的編寫程序簡單,價格便宜,故采用[鍵入文字 ] 第 13 頁 共 41 頁 此種方案。根據(jù)本設計需 要顯示的信息量小的特點,選用價格便宜的 LCD1602 液晶屏。 [鍵入文字 ] 第 14 頁 共 41 頁 第 3章 熱敏電阻的溫度檢測裝置硬件系統(tǒng)設計 溫度采集系統(tǒng)的硬件部 分是由溫度采集模塊、 MCU 控制器模塊、溫度顯示模塊組成。 具體工作原理: 單片機通過 AD芯片對電阻兩端的電壓進行采樣,電阻變化時其兩端的電壓會變化,這種變化是線性的,單片機可以通過計算得到電阻 值,然后通過查表得到溫度值,再通過計算得到顯示溫度值。 溫度采集模塊硬件設計 該模塊是根據(jù)熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性,利用串聯(lián)分壓的特點,將熱敏電阻所分的電壓送到 ADC0832 的模擬量輸入端。 AD 轉(zhuǎn)換模塊的設計 本設計采用的 AD 轉(zhuǎn)換 芯片是 ADC0832: 該芯片 為 8位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片,其最高分辨可達 256 級,可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μS ,據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗,以減少數(shù)據(jù)誤差,轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端,可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇 。但由于 DO端與 DI 端在通信時并未同 時有效并與單片機的接口是雙向的,所以電路設計時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 當 ADC0832 未工作時其 CS 輸入端應為高電平,此時芯片禁用, CLK 和 DO/DI 的電平可任意。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作,同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸 入時鐘脈沖 , DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第 3個脈沖下沉之前 DI端應輸入 2 位 數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 : 當此 2 位數(shù)據(jù)為 “1” 、 “0” 時,只對 CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當 2 位數(shù)據(jù)為 “0” 、 “0” 時,將 CH0作為正輸入端IN+, CH1 作為負輸入端 IN進行輸入。到第 3 個脈沖的下沉之后 DI端的輸入電平就失去輸入作用,此后 DO/DI 端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO進行轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)的讀取。直到第 11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0,一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。隨后輸出 8位數(shù)據(jù),到第 19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成,也標志著一次 A/D轉(zhuǎn)換的結束。 [鍵入文字 ] 第 16 頁 共 41 頁 作為單通道模擬信號輸入時 ADC0832 的輸入電壓是 0~5V 且 8位分辨率時的電壓精度為 。但值得注意的是,在進行 IN+與 IN的輸入時,如果 IN的電壓大于 IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結果始終為 00H。利用芯片內(nèi)部振蕩電路,在 XTAL1 和 XTAL2 的引腳上外接定時元件,內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩, 用示波器便可以觀察到 XATL2 輸出的正弦波,定時元件可以采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)振蕩電路,晶體可以在~12MHz 之間 選 擇 ,電容可以在 20~60pF 之間選擇,通常選為 30pF 左右,電容 C8~C9的大小對振蕩頻率有微小影響,可起頻率微調(diào)作用。 圖 33為 STC89C52外部工作電路原理圖 該電路為 STC89C52 控制器電路,其中, 、 、 口分別與 LCD1602 的 RS、R/W、 E引腳連接 ; ~ 口與 LCD1602 的 DB0~DB7 引腳連接; 是模擬量輸入端,用于輸入熱敏電阻傳感器的電壓。 P0口也可以在 外部程序存儲器時作地址的低字節(jié),在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器[鍵入文字 ] 第 17 頁 共 41 頁 時作數(shù)據(jù)總線,此時通過內(nèi)部強上拉輸出 1。 P1口 可作為準雙向 I/O 接口使用。對于 EPROM 編程和進行程序校驗時,P1口接收輸入的低 8位地址。 P2 口 2 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O,口向 P2口寫入 1時 ,P2 口被內(nèi)部上拉為高電平 ,可用作輸入口當作為輸入腳時,被外部拉低的 P2 口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流 (見 DC 電氣特性 )。當使用 8 位尋址方式 (MOVRi)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時 ,P2 口發(fā)送 P2特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O口,向 P3 口寫入 1 時, P3 口被內(nèi)部上拉為高電平,可用作輸入口,當作為輸入腳時,被外部拉低的 P3 口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流 (見 DC 電氣特性 )。本課題沒有用到P3 口。 復位電路的設計 STC89C52 的復位方式可以是 圖 34的 上電復位,也可以是 圖 35 的 手動復位。 RST單片機C1R1GNDVCC RST單片機C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 34為 上電復位 圖 35為 手動復位 [鍵入文字 ] 第 18 頁 共 41 頁 :上電自動復位電路是一種簡單的復位電路,只要在 RST 復位引腳接一個電容到 VCC,接一個電阻到地就可以了。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復位, RST 引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。只要 VCC 的上升時間不超過 1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位。手動復位和快捷,方便,所以此次設計采用手動復位方式。 1602LCD 的第 1腳 VSS 為地電源;第 2腳接 5V 正電源;第 3腳 VL為液晶顯示器對比調(diào)整端,接正電源時對比度弱,接地時對比度最高,對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”,使用是可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度;第 4 腳為 RS 寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時選擇指令寄存器;第 5腳為 R/W 讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作。以上是整個 1602LCD 的功能介紹。 Vss 及 K 引腳分別是電源地、 LCD背光電源負極,直接接地。其電路原理圖如圖 36所示: [鍵入文字 ] 第
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