基于單片機的多點溫度檢測系統設計_畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 執行的程序，同時在 Clock Frequency 一欄選擇單片機晶振的頻率為 12MHz ④ 開始仿真，點擊如圖 21 的 仿真按鈕， Proteus 開始仿真。其結果如圖 27 所示，顯示通道 3 的溫度為 11℃ 。 圖 27 仿真結果 基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 7 第三章 系統總體方案設計 系統總體設計 方案一：利用鎖存器，觸發器擴展 P0 口 圖 31 系統總體設計框圖一 方案二：利用 8255A 擴展 I/O 口 圖 32 系統總體設計框圖二 基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 8 方案原理說明 方案一如圖 31 所示 ，采用單片機的 P0 口連接 ADC0809， P1 口連接按鍵對單片機實時控制，用 D 數據鎖存器 74HC373 將 P0 口的低三位值傳送給 A/D 轉換器的地址選擇端口，同時用兩個 D 型觸發器 74HC273 將 P0 口輸出的值顯示在 LED 上。為了不影響相互之間的工作，選用邏輯器件或非門和或門來控制 P0 口選擇哪一個器件進行讀寫操作。 其工作原理以 STC89C52 單片機作為主控芯片，利用熱敏電阻設計成測溫電路。熱敏電阻電壓信號經放大電路進行放大處理后滿足 A /D 轉換器的要求 ，然后在 A/D 轉換程序控制下經 A /D 轉換器轉換成數字信號。此信號送人單片機系統，將最后的測量結果送入 L E D 數字顯示模塊顯示溫度數據。通過按鍵設定溫度控 制范圍。 方案二如圖 32 所示 ，利用 8255A 擴展單片機的 I/O 口，其工作原理大致與方案一相同，不同的是用 P2 口控制 ADC0809，測溫電路測得的電壓值送至 A/D 轉換電路，轉換后的數字量送給 8255A 的 A 口， A 口有輸入鎖存功能。單片機指針轉向 A 口將數字量送入單片機片內 RAM。單片機的指針轉向 B 口和 C 口，將轉換后的值在 LED 顯示。 總體設計方案論證 方案一采用鎖存器和觸發器擴展 I/O 口 ，通過邏輯器件選擇相應的模塊， 是簡單易行的方法， 也是目前設計中主要考慮的方法 主要 存在以下 方面的缺點： ① 芯片種類多，更換復雜，且不易查找出錯芯片。 ② 由于芯片多所造成連線交叉，產生干擾信號。 ③ 邏輯器件增加程序的編譯難度。 ④ 器件多不易于模塊調試和出錯檢查。 方案二主要是解決方案一所存在的問題。既解決芯片問題又使得接線清晰。同時預留單片機的 I/O 口，可以擴展系統的功能，方案二也是存在缺點的，如果系統實現的功能太簡單，就存在浪費 I/O 資源。不能發揮單片機 集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低、使用方 便、價格低廉等特點 。 通過以上方案論證，方案二是最佳選擇。 基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 9 第四章 硬件電路的設計 測溫電路的設計 熱敏電阻的選擇 熱敏電阻是利用半導體的阻值隨溫度變化這一特性而制成的，分為 NTC（負溫度系數 Negative Temperature Coefficient）熱敏電阻、 PTC（正溫度系數 Positive Temperature Coefficient）熱敏電阻兩大類 [10]。 PTC 熱敏電阻的電阻值隨著溫度的升高而增大。 PTC 熱敏電阻的制造材料是以BaTiO3 或 SrTiO3 或 PbTiO3 為主要成分的燒結體，并摻入微量的 Nb、 Ta、 Bi、 Sb、 Y、La 等氧化物進行原子價控制而使之半導體化，常將這種半導體化的 BaTiO3 等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數的 Mn、 Fe、 Cu、 Cr 氧化物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正溫度特性的熱敏電阻材料。 PTC 熱敏電阻一般用于電冰箱壓縮機起動電路、彩色顯像管消磁電路、電動機過流過熱保護電路、限流電路及恒溫控制電路等 [10]。 NTC 熱敏電阻 是指電阻值隨溫度上升而減小，具有負溫度 系數的熱敏電阻現象和材料。該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可制成具有負溫度系數（ NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化．現在還出現了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系 NTC 熱敏電阻材料． NTC 熱敏電阻一般用于各種電子產品中作微功率測量、溫度檢測、溫度補償、溫度控制等。所以選用 NTC 熱敏電阻是本設計的最佳溫度傳感元件 [10]。 NTC 熱敏電阻的 電阻值和溫度變化的關系 式為： ???????? ?? NTTBNT RR 11e x p (41) TR ：在溫度 T （ K ）時的 NTC 熱敏電阻阻值。 NR ：在額定溫度 TN （ K ）時的 NTC 熱敏電阻阻值。 T：規定溫度（ K ） [ K=+T ] 。 K：開爾文溫度 B： NTC 熱敏電阻的材料常數，又叫熱敏指數。 Exp： 以自然數 e 為底的指數（ e = … ）。 關系式 (41)是經驗公式，只在額定溫度 TN 或額定電阻阻值 RN 的有限范圍內才具有一定的精確度，因為材料常數 B 本身也是溫度 T 的函數。 根據市場所供應的熱敏電阻選用 LT502/3470A， ?? KR 525 , KB 3470? 工作溫度 50℃ ~125℃、穩定性好、良好的耐熱循環能力、精確度達177。 ℃，適合制作高精度的溫度傳感器。基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 10 測溫電路的方案論證 方案一：恒壓式測溫系統 恒壓式測溫系統框圖如圖 41所示，主要 由恒壓源、 NTC 熱敏電阻測溫電橋、差分放大電路 [1]。 圖 41 恒壓式測溫系統框圖 輸出端 V2 的電壓為 : VRRTRTV22 ?? (42) 當 RT 發生 R? 變化時，輸出電壓 39。2V 為 : VRRRT RTV ????239。2 (43) 輸出端 V2 的誤差 2V? : ? ?? ? VRRRTRRT RRTVVV ???? ????? ? 2239。222 (44) 若 ,2 RRRT ?? 則： VRRRRV ????? 242 (45) 當 RR? =5% 時，誤差 2V? =%. 差分放 大電路的電壓增益 VA 為： ?????? ????? 6 54721 0 21 RRRRVV VA V (46) 若 21 RR? , tRR?3 ( tR 是 RT 為 0度值 )， V=5v。 輸出電壓 0V VRTR RTRR RAV ttV ????????? ????? 210 (47) 基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 11 方案二：恒流式測溫系統 恒流式測溫系統框圖如圖 42 所示，主要由恒流源、 NTC 熱敏電阻 RT、取樣電阻R、 A/D 轉換電路構成。該測溫系統工作原理除前段從熱敏電阻取壓方式和 A/D 轉換器獲取的基準電壓方式不同，其他工作的原理相同 [1]。 圖 42 恒流式測溫系統框圖 NTC 熱敏電阻輸出電壓 V? 為： RTIV ??? (48) 經放大器輸出的電壓 0V 為： VARTIV ???0 (49) 取樣電阻的輸出電壓 refV 為： IRVref ? (410) A/D 轉換器輸 出數字量 Code 公式為： ? ?REFn VA INC ode /2 ?? (411) AIN 為輸入 A/D 轉換器電壓的模擬量。 將式（ 49）和（ 410）代入式（ 411）中得， RR T AIRI R T AC o d e VNVN ???? 22 (412) 由式 412得知，由于采用了恒壓源 I和取樣電阻 R為 A/D轉換器提供參考電壓 refV ，與所測熱敏電阻電壓構成了比值測量系統，這樣就消除了由于恒流飄逸給系統帶來的誤差，同時該系統選用了精密電阻 R 作為取樣電阻，使整個系統的測量精度主要取決于 A/D轉換器的分辨率。該系統精度達 ℃ [1]。 方案論證： 兩種方案比較得知：恒流式測溫系統由于需要很溜源提供恒定電流且使用了精密電阻，較恒壓式測溫系統成本更高。測溫系統的要求溫度精度為177。 1℃ ,儀用放大器的輸入端采用同相放大器 ,輸入阻抗高 ,可以忽略內阻的影響 ,其輸出端采用差分輸出 ,抑制共模信號 ,使得前向通路輸出更穩定。所以選擇方案一是可行的 [1]。基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 12 A/D 轉化電路的設計 方案論證 A/D 轉換器的種類很多，就位數來說，可以分為 8 位、 10 位、 12 位和 16 位等。位數越高其分辨率就越高，價格也就越貴。 A/D 轉換器型號很多，而其轉換時間和轉換誤差也各不相同。 方案一： 采用 逐漸逼近式 A/D 轉換器： 它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉換器，其轉換時間在幾微秒到幾百微秒之間 ，常用最典型的為 ADC080 AD1674。 方案二：雙積分式 A/D 轉換器： 它是一種間接式的 A/D 轉換器，優點是抗干擾能力強，精度比較高，缺點是數度很慢，適用于對轉換 數度要求不高的系統 ，常用最典型的為 ADCEK8B、 ADCEK10B。 方案三： 采用 并行式 A/D 轉換器： 它又被稱為 flash（快速）型，它的轉換數度很高，但它采用了很多個比較器，而 n位的轉換就需要 2n1 個比較器，因此電路規模也極大，價格也很貴，只適用于視頻 A/D轉換器等數度特別高的領域 ，常用有 AD7846 等 。 雙積分型 AD 轉換器若與逐次逼近型 AD 轉換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應，所以，它突出優點是工作性能比較穩定且抗干擾能力強 ， 由于逐次漸進式 A/D 轉換器 的轉換時間多數在 10μs~100μs，而雙積分式 A/D 轉換器多數在 10ms 至數百毫秒之間，所以雙積分式 A/D 轉換器轉換時間要多。 鑒于上面三種方案，在價格、轉換速度等多種標準考慮下，本 次 設計選用的是逐漸逼近式 A/D 轉換器 —ADC0809。 ADC0809 是 TI 公司生產的 8 位逐次逼近式模數轉換器，包括一個 8 位的逼近型的ADC 部分，并提供一個 8 通道的模擬多路開關和聯合尋址邏輯，為模擬通道的設計提供了很大的方便。 對于該八路通道輸入信號，八位 A/D 轉換器，其精度為： 8 %2? ? 輸入為 0~5V 時，分辨率為： 85 0 .0 1 9 61122FsN Vv ???? 其中： Fsv —A/D 轉換器的滿量程值 N —ADC 的二進制位數 量化誤差為： A D D A ～ A D D CA L E / S T A R T E O C O E D 0 ～ D 7地 址鎖 存啟 動 轉 換 時 間 上述 ADC0809 誤差和分辨率滿足多點溫度測量的設計要求。 基于 STC89C52 單片機的多點溫度檢測系統設計 13 ADC0809 芯片的引腳功能 圖 43（ a） ADC0809 引腳圖 ADC0809 各引腳功能如下： ① IN0～ IN7(Pin1～ Pin5， Pin26～ Pin28):8 路模擬量輸入端。 ② ADDA、 ADDB、 ADDC(Pin23～ Pin25):3 位地址輸入， 3 個地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。 ③ ALE(Pin22):地址鎖存啟動信號，在 ALE 的上升沿，將 A、 B、 C 上的通道地址鎖存到內部的地址鎖存器。 ④ D