基于51單片機的熱敏電阻數(shù)字溫度計設計

摘? 要

溫度計量是計量學的一個重要分支，它在國民經(jīng)濟各領域中占有重要的地位。人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗等許多方面都與溫度測量有著十分密切的關系。

本文在查閱、分析了現(xiàn)有的幾種不同的測溫原理，分析確定了熱敏電阻測溫，并對基于熱敏電阻pt100的數(shù)字溫度計的設計進行了深入探討和研究。該系統(tǒng)分為測溫模塊、信號放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和控制顯示模塊，并分別對其進行方案分析，最終確定數(shù)字溫度計系統(tǒng)的系統(tǒng)構架和設計方案；在硬件電路中，詳細闡述了各模塊電路的工作原理，分析了以AT89C51單片機為主控單元的系統(tǒng)硬件和軟件設計，并對該系統(tǒng)進行誤差分析，使我們對于系統(tǒng)的各種性能有了進一步認識。

本文用protues進行仿真，采用at89c51單片機作為處理的核心部分；用pt100作為溫度傳感器，把采集到的溫度經(jīng)放大后送到adc0804進行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過at89c51單片機處理后送到顯示器，顯示器將顯示采集的溫度。

關鍵字：at89c51單片機，熱敏電阻pt100，數(shù)碼顯示，protues

第一章? 緒 言

第一節(jié) 課題背景

二十一世紀是人類全面進入信息電子化的時代，隨著人類探知領域和空間的拓展，使得人們需要獲得的電子信息種類日益增加，需要信息傳遞的速度加快，信息處理能力增強，因此要求與此相對應的信息采集技術——傳感技術必須跟上信息化發(fā)展的需要。它是人類探知自然界信息的觸覺，為人們認識和控制相應的對象提供條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術的三大核心技術之一的傳感技術，將是二十一世紀世界各國在高新技術發(fā)展方面爭奪韻一個重要領域。

在信息化社會，幾乎沒有任何一種技術的發(fā)展和應用能夠離得開傳感器和信號探測技術的支持。生活在信息時代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開發(fā)、采集、傳送和處理都息息相關。傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高技術之一，也是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志?？梢哉f傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，是現(xiàn)代科技的開路先鋒，它與通訊技術、計算機技術構成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一。傳感器技術是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、聲學、精密機械、材料科學等眾多科學相互交叉的綜合性高新科技技術密集型前沿技術之一，廣泛應用于航天、航空、國防科研、信息產(chǎn)業(yè)、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學、環(huán)境保護、災害預測預防、農(nóng)業(yè)、機器人、家電等各個領域，可以說幾乎滲透到人類活動的各個領域。

溫度是一個和人們生活環(huán)境有著密切關系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科研、生活中需要測量和控制的重要物理量，是國際單位制七個基本量之一。其測量控制一般應用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。我國廣泛應用于氣象、環(huán)保、紡織、生化等行業(yè)德各個方面，另外農(nóng)業(yè)、食品、木材、煤炭等對溫度傳感器的需求也在不斷增加。金屬鉑的電阻值隨溫度變化而變化基本成線形關系，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，測量精度高，是目前公認制造熱電阻的最好材料。利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200—650℃最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫及各種實驗儀器儀表等領域，而且被制成各種標準溫度計(涵蓋國家和世界基準溫度)供計量和校準使用。

第二節(jié) 國內(nèi)外研究的發(fā)展及現(xiàn)狀

一、溫度傳感器的的概述及發(fā)展現(xiàn)狀

二十一世紀是人類全面進入信息電子化的時代，作為現(xiàn)代信息技術的三大核心技術之一的傳感技術，將是二十一世紀世界各國在高新技術發(fā)展方面爭奪的一個重要領域，其水平高低是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志之二。傳感器產(chǎn)業(yè)也是國內(nèi)外公認的具有發(fā)展前途的高技術產(chǎn)業(yè)，它以其技術含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目。八十年代以來，西方國家一直將此列為重點發(fā)展高新技術。改革開放二十多年來，我國建立了“傳感技術國家重點實驗室"、“微米／納米國家重點實驗室’’、“國家傳感技術工程中心’’等研究開發(fā)基地；在“九五”國家重點科技攻關項目中，傳感器技術研究取得了51個品種86個規(guī)格的新產(chǎn)品，2000年總產(chǎn)量超過13億只，品種規(guī)格已有近6000種；同時全國已有1688家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用，其中從事MEMS(微電子與微機械的結合)研制生產(chǎn)的已有50多家。目前全行業(yè)正在執(zhí)行“十一五”計劃，MEMS等5項新型傳感器已列入研究開發(fā)的重點。2004年上半年，產(chǎn)品產(chǎn)銷量繼續(xù)增長，預計到“十一五”期末，敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量可望達到20億只，銷售總額將達約120億元，從而初步形成了電子制造業(yè)中的經(jīng)濟增長點。

傳感器作為信息技術的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領域，數(shù)量高居各種傳感器之首。進入二十一世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。同時多種高精度、高分辨力的溫度傳感器已在相繼推出與研制。由美國DALLAS半導體公司新研制的DSl624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0．03125℃，測溫精度為正負0．2℃。轉(zhuǎn)換時間分別僅為27us。．目前，國際上一些著名的IC廠家已開始研制單片測溫系統(tǒng)，它是在芯片上集成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其集成度將高達108—109元件／片，這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應用帶來劃時代的進步。

近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：1．傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；2．模擬集成溫度傳感器／控制器；3．智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在二十一世紀九十年代中期闖世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術的結晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器、隨機存取存儲器和只讀存儲器。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。進入二十一世紀后智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、‘開發(fā)基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的，利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實現(xiàn)最佳性能指標的虛擬傳感器和包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡接口和處理單元的網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展”

二、傳感器檢測技術概述及發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)設備在制造過程及整機性能測試中離不開各種機械量和幾何量，有些工業(yè)設備在運行中還要經(jīng)常對多種物理量進行檢測或監(jiān)視，實際生產(chǎn)、生活和科學實驗中還會遇到化學量、生物量(包括醫(yī)學)，而所有這一切，從信號工程的角度來看，都需要通過傳感器，將其轉(zhuǎn)換成電信號(近代還可以轉(zhuǎn)換成光信號)，而后再進行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制從信息的角度看，這些信號連同聲音和圖象信息都是信息的源頭，所以傳感器和檢測儀表、測量儀表是信息科學技術的三部分(信息獲取、信息傳輸、信息處理)中的重要部分。

在現(xiàn)代工業(yè)設備中，傳感器和檢測儀表是不可或缺的一部分的理由，還可由以下兩方面來看：傳統(tǒng)的工業(yè)設備如在其上增加了必要的傳感器，配備精密測量部件，則其功能和精度可以提高，便于用戶操作和維護，安全等級也可以提高，設備可以增值；工業(yè)設備作為自動化系統(tǒng)的控制對象或作為自動化系統(tǒng)的一部分，必須能與自動化系統(tǒng)的三部分相兼容或提供接口，使之集成為一個有機的整體，無論是單機自動化或作為大型自動化裝置的一部分，都使該工業(yè)設備的用途擴大。

綜上所述，作為工業(yè)設備本身增加傳感器和檢測儀表、測量儀表或提供接口，是傳統(tǒng)設備更新?lián)Q代的必要條件。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化，它不僅促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導致建立新型工業(yè)，是二十一世紀新的經(jīng)濟增長點。微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術基礎上的，目前已成功應用在硅器件上形成硅壓力傳感器(如EJX變送器)。微電子機械加工技術，包括微機械加工技術、表面微機械加工技術、LIGA技術(X光深層光刻、微電鑄和微復制技術)、激光微加工技術和徽型封裝技術等。MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器的檢測儀表，在微電子技術基礎上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關集成電路(運算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡通訊接口電路)等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化。目前主要是指采用多種現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))，這要按各行業(yè)的特點，選擇其中的一種或多種，近年內(nèi)最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS—imerbus、TCP／IP。除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術，如新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、新型盆子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術正在形成熱點，它形成于20世紀80年代，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上，多種功能進一步集成以至于融合，這是必然的趨勢。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術也促進了傳感器技術的發(fā)展。多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括為：把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確定性，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點，即容錯性、互補性、實時性、經(jīng)濟性，所以逐步推廣應用。應用領域除軍事外，還適用于自動化技術、機器人、海洋監(jiān)視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學診斷、遙感技術等方面。

三、數(shù)據(jù)采集技術概述及發(fā)展現(xiàn)狀

信息社會的發(fā)展，在很大程度上取決于信息與信號處理技術的先進性。數(shù)字信號處理技術的出現(xiàn)改變了信息與信號處理技術的整個面貌，而數(shù)據(jù)采集作為數(shù)字信號處理的必不可少的前期工作在整個數(shù)字系統(tǒng)中起到關鍵性、乃至決定性的作用，其應用已經(jīng)深入到信號處理的各個領域中。數(shù)據(jù)采集技術(Data Acquisition)是信息科學的一個重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理以及控制等作業(yè)。將被測對象的各種參量檢測采集后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到計算機進行存儲、分析和處理，這一過程稱為“數(shù)據(jù)采集”。相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)結構的不同，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可分為集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，前者的特點是現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集、處理與控制，上位機與被測對象的位置較進，時實性強，適用于上位機與被測對象距離較短目標采集，速度要求較高的場合。后者對被測設備進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由現(xiàn)場總線上傳至上位機，經(jīng)上位機進行處理后，對現(xiàn)場設備進行控制，適用于對多個現(xiàn)場設備進行遠程監(jiān)控與維護的場合。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務：采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機，根據(jù)不同的需要由計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機作為微處理器，以此來測量各種參數(shù)的大小，并將測量值通過串口傳輸?shù)缴衔粰C。采用這種設計，系統(tǒng)制造簡單、成本低。本文就介紹了一種以MSP430單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，Pt膜溫度傳感器的參數(shù)經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后成為可測量的參數(shù)，傳給上位機完成Pt膜溫度傳感器性能參數(shù)的測量。

第三節(jié) 本課題研究的內(nèi)容

1、通過查閱國內(nèi)外相關文獻資料，了解數(shù)字溫度計的發(fā)展歷程，對數(shù)字溫度計的現(xiàn)狀，技術水平和發(fā)展趨勢有一個初步的認識和了解；

2、研究溫度傳感器的理論原理和發(fā)展應用；

3、研究溫度的采集過程，將微弱的模擬信號進行放大，及其通過單片機處理過后怎樣將溫度顯示出來；

4、研究由于溫度與電阻值的非線性變換，采用怎樣的校正電路進行校正。

第二章? 系統(tǒng)的硬件設計

第一節(jié) 總體設計方案

使用鉑熱電阻PT100，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。廠家提供有PT100在各溫度下電阻值值的分度表，在此可以近似取電阻變化率為 0.385Ω/℃。向PT100輸入穩(wěn)恒電流，再通過A/D轉(zhuǎn)換后測PT100兩端電壓，即得到PT100的電阻值，進而算出當前的溫度值。

采用2.55mA的電流源對PT100進行供電，然后用運算放大器LM324搭建的同相放大電路將其電壓信號放大25倍后輸入到AD0804中。利用電阻變化率0.385Ω/℃的特性，計算出當前溫度值。

溫度計電路設計總體設計方框圖如圖2-1所示。

圖2-1? 電路設計總體設計方框圖

第二節(jié) 單片機

一、AT89C51簡介

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。

二、管腳說明

如圖2-2為AT89C51引腳圖,各引腳功能說明如下:

圖2-2? AT89C51引腳圖

VCC: 電源

GND: 地

P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。

P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。

P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。

P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表2-1所示。

表2-1 AT89C51引腳號第二功能

RST:復位輸入，晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST 腳輸出69個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。

ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。

三、振蕩器特性：

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器配置為片內(nèi)振蕩器時，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。采用外部時鐘源驅(qū)動器件時，由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。

四、芯片擦除：

整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。