热敏电阻传感器温度检测电路设计

摘  要

随着科技的提高，电子电器飞速发展，人民生活水平有了很大提高。各种高档家电和贵重物品为许多家庭所拥有。然而一些不法分子也越来越多。这点就是因为不法分子看到了大部分人防盗意识不够强所造成的结果。因此越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。报警系统这时为人们解决了大部分问题。

：本文介绍了一种基于热释电效应的被动式红外报警器的设计，并对其工作原理进行了简要说明

关键词：A/D转换器, ATC51, PT100, ADC0809, 4位共阴数码管

2 相关芯片及硬件 1

2.1  单片机选型    2

2.3  模数转换器选型    3

2.4  总体方案    4

3 硬件电路设计 4

3.1  时钟电路    4

3.2  复位电路    4

3.3  A/D转换设计    5

3.3.1  位逐次逼近式A/D转换器ADC0809    5

3.3.2  ADC0809应用注意事项    5

3.3.3  模数转换模块电路    5

3.4  放大电路设计    6

3.5  显示电路设计    7

3.6  报警电路    8

4 系统软件设计 9

4.1  主程序设计    9

4.1.1  程序说明    9

4.1.2  流程图    9

4.2  AD转换设计    9

4.2.1  标度变换说明    9

4.3  显示子程序的设计    10

参考文献 19

1 绪论

1.1 课题描述   

随着科技的提高，电子电器飞速发展，人民生活水平有了很大提高。各种高档家电和贵重物品为许多家庭所拥有。然而一些不法分子也越来越多。这点就是因为不法分子看到了大部分人防盗意识不够强所造成的结果。因此越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。报警系统这时为人们解决了大部分问题。但是市场上的报警系统大部分是适用于一些大公司的重要机构。其价格昂贵，使普通家庭难以承受。如果设计一种价格低廉，性能可靠、智能化的报警系统，必将在私人财产的防盗领域起到巨大作用。由于红外线是不可见光，隐蔽性能良好，因此在防盗、警戒等安保装置中被广泛应用。而本设计的电路包括硬件和软件两个部分。硬件部分包括红外感应部分与单片机控制部分，整个系统电路可划分为：电源部分、传感器模块部分、单片机控制电路，而单片机控制由最小系统和指示灯电路、报警电路等子模块组成。主要工作由热释电红外感应器完成信息采集、处理、数据传送经过单片机功能设定到达报警模块这一过程。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元。单片机应用系统也是由硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是主要是工作的程序通过编写程序来控制输入的信号。

1.2 基本工作原理及框图

本课程设计的温度计测温系统由温度传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、单片机系统、温度显示系统构成。其基本工作原理：温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至转A/D换电路，把电压信号转换成数字量送给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字量进行处理，再送温度显示系统进行显示。基本工作原理框图如图1所示。

图1基本工作原理框图

2 相关芯片及硬件

2.1单片机选型

本方案使用的是ATC51单片机，AT系列的单片机对于一般用户来说，有下列明显的优点：

①ATC51单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O口设备等，相当于一台计算机所需要的基本功能部件。

②内部含有Flash存储器，在系统开发过程中很容易修改程序，可以大大缩短了系统的开发时间。

③AT系列并不对80C31的简单继承，功能进一步增强。在我国这种单片机受到广泛青睐，很多以前使用80C51、80C52的用户都转而使用AT系列。对于有丰富编程经验的用户而言，不需要仿真器，可以直接将程序载入芯片，放在目标板上加电直接运行，观察运行结果，出现问题时再进行修改，然后重新写程序，再进行试验，直至成功。

   ATC51引脚图如图2所示。

图2 ATC51引脚图

2.1.1  ATC51的功能特性

ATC51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个十六位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，ATC51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。            

2.2 温度传感器选择

传感器是测控系统前向通道的关键部件，它也称换能器和变换器，一般是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电量（如压力、温度等）转换成与之对应的电量或电参量（如电流、电压、电阻等）输出的一种装置。采集温度是有一下几种方案：

方案一：采用温度传感器AD590。它具有较高的精度，相比于热敏电阻精度有所提高，但非线性误差为±0.3℃，且检测温度范围为：-55~+155℃。 

方案二：采用Pt100。它的国际测温标准为：-40~+450℃，可选环境温度为：-40~70℃，精度为：±0.1℃，且安装尺寸小，可直接安装在印刷电路板上，可焊SIP封装。

采用热电阻电路测温。热电阻是利用导体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，因此用PT100作为实现温标的基准器。

    pt100是铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。

方案三：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。

基于对以上三种方案的分析以及实验室的设备，选择方案二的PT100作为温度传感器。

2.3 模数转换器选型

模拟量输入到计算机，首先要经过模拟量到数字量的转换，简称A/D转换，计算机才能接收。实现模/数转换的设备称A/D转换器或ADC。

A/D转换器的种类有很多,而A/D转换的好与坏直接关系到真个系统的精确度。由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用8位串行A/D转换ADC0809能达到设计的基本要求。为进一步提高精度，可以直接采用12位A/D转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率。

2.4 总体方案

本方案以ATC51单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测，并采用热电阻PT100作为温度传感器,AD620作为信号放大器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。   

3硬件电路设计

3.1 时钟电路

给一块内部含有程序存储器的单片机配上时钟电路和复位电路就可以构成单片机的最小应用系统。

C51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需附加电路，C51的时钟产生方法有两种，内部时钟方式和外部时钟方式，本设计采用内部时钟方式，内部时钟电路图如图3所示。

图3 内部时钟电路图

3.2 复位电路

复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。例如复位后，PC初始化为0，于是单片机自动从0单元开始执行程序。因而复位是一个很重要的操作方式。

本设计采用按键脉冲复位，其原理图如图4所示。

图4 按键脉冲复位原理图

3.3 A/D转换设计

3.3.1位逐次逼近式A/D转换器ADC0809

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理器兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。它是目前应用最广泛的8位通用的A/D转换的芯片。

3.3.2 ADC0809应用注意事项：

①ADC0809内部带有输出锁存器，可与ATS52单片机直接相连。

    ②初始化时，使ST和OE信号为低电平。

    ③送要转换的那一通道的地址到A,B,C端口上。

    ④在ST端给出一个至少100ms宽的正脉冲信号。

⑤是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

⑥当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

3.3.3模数转换模块电路

ADC0809接线图，即A/D转换电路如图5所示。

图5 A/D转换电路

3.4 放大电路设计

测温原理：采用 R1、R2、VR2、Pt100 构成测量电桥（其中 R29＝R28），温度变化时，当Pt100 的电阻值和 R27 的电阻值不相等，电桥输出一个 mV 级的压差信号，这个压差信号经过运放 AD620 放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 A/D 转换芯片。从而把热电阻的阻值转换成数字量。

AD620为三运放集成的仪表放大器结构,AD620的两个内部增益电阻为24. 7 kΩ , 因而增益方程式为:　   G =49.4 kΩ/R G + 1                               (1)　　

对于所需的增益, 则外部控制电阻值为:　　R G =49.4/（G - 1）kΩ       (2)

电路原理如图6所示：

图6 AD620原理图

桥式电路测温整体电路如图7所示：

图7 放大电路

3.5 显示电路设计

在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。图3-7（a）是4位共阳数码管的管脚图。

LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.5～2V,额定电流为10mA,最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，加大脉冲电流，但一般不超过40mA。

 本设计选用4位共阴数码管。由于数码管的驱动电流较大，所以在设计时加上了三极管3904作为驱动电路，数码管和单片机的接口如图8所示。

                                图8显示电路

3.6 报警电路

由一个蜂鸣器和三极管组成，当高温超过设定值，蜂鸣器将会发出报警。

放大电路与单片机P3.4口相连，当采集到的温度值超过所设置的范围时，单片机会输出一信号，通过三极管放大后驱动蜂鸣器发出报警信号。如图9所示。

图9 蜂鸣器报警电路

4系统软件设计

4.1  主程序设计

4.1.1 程序说明

主程序是系统上电或复位后首先要执行的程序，主程序主要完成系统的初始化、扫描显示等工作。这是一个综合硬件设计控制系统。利用显示电路、A/D转换电路、单片机实现温度报警的系统。

本设计可以实现将模拟温度信号，转换成数字信号，并经过计算处理后通过LED静态显示电路以十进制形式显示出来，设置温度上限为100℃，该系统可以对温度进行实时过程的监控。当实际温度高于设定的温度上限时，发出报警信号。

4.1.2 流程图

主程序流程图如图10所示。

图10 主程序流程图

4.2  AD转换设计

4.2.1 标度变换说明

本设计是模拟温度的显示，温度经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器AD620放大后进入单片机进行A/D转换成数字量后输出到动态显示部分，显示其温度值。

A/D转换流程图如图11所示。

图11 A/D转换流程图

4.3显示子程序的设计

本设计采用4位LED共阴极数码静态显示，显示温度范围从0℃到99℃，字段码放在LEDLAB中，采用查表方式，偏移量加首址查得对应的字形代码。当定时器T0定时时间到，采样电路进行采样，采样结果经信号调理电路处理后，送入A/D转换，经标度变换后显示。

  显示子程序流程图如图12所示

 图12 显示子程序流程图

源程序

LED_0      EQU     30H

LED_1       EQU     31H

LED_2       EQU     32H

ADC      EQU   35H

TCNTA   EQU      36H

TCNTB       EQU    37H

H_TEMP   EQU     H                 温度上限

FLAG      BIT   00H

H_ALM        BIT    P3.0

L_ALM     BIT   P3.1

SOUND        BIT    P3.7

CLOCK        BIT    P2.4

ST            BIT     P2.5

EOC         BIT     P2.6

OE           BIT     P2.7

    ORG      00H

         SJMP       START

     ORG       0BH

     LJMP     INT_T0

     ORG       1BH

     LJMP   INT_T1

START : MOV      LED_0,  #00H

         MOV      LED_1,  #00H

         MOV  LED_2,  #00H

         MOV   DPTR,  #TABLE

         MOV      H_TEMP, #60

        MOV   L_TEMP, #30

        MOV      TMOD,  #12H

         MOV      TH0,    #245

         MOV      TL0,    #0

         MOV      TH1,    # (65536-1000)/256

         MOV      TL1,   # (65536-1000) %256

         MOV      IE,    #8aH

         CLR      C

         SETB      TR0                   ;为ADC0809提供时钟

 WAIT:SETB    H_ALM

         SETB      L_ALM

         CLR       ST

         SETB     ST

CLR    ST                          启动转换

          JNB         EOC, $

         SETB    OE

         MOV    ADC, P1                读取AD转换结果

         CLR        OE

         MOV       A,  ADC

MOV      A,  H_TEMP

MOV      R0,  ADC

SUBB      A,   R0                       ;判断是否高于上限

JC         HALM

CLR      TR1

LJMP     PTOC

 HALM:                                ;高温报警

       CLR        H_ALM

       SETB    TR1

       SETB      FLAG

       LJMP      PTOC

PTOC:  MOV      A, ADC                 ;数值转换

        MOV      B, #100

       DIV        AB

        MOV      LED_2, A

        MOV      A, B

        MOV      B,#10

        DIV         AB

        MOV      LED_1,A

        MOV      LED_0,B

        LCALL    DISP

        SJMP     WAIT

INT_T0:  CPL    CLOCK                         ;提供C51时钟

           RETI

INT_T1: MOV     TH1, #(65536-1000)/256

         MOV     TL1, #(65536-1000)%256

         CPL        SOUND

         INC        TCNTA

         MOV        A, TCNTA

         JB        FLAG,I1               ;判断是高温警报还是低温警报

         CJNE     A，#30,RETUNE           ;低温警报声

         SJMP     I2

        I1:CJNE     A, #20, RETUNE        ;高温警报声

        I2:MOV     TCNTA,  #0

         INC     TCNTB 

         MOV    A, TCNTB

         CJNE    A, #25, RETUNE

         MOV    TCNTA, #0

         MOV    TCNTB, #0

         LCALL    DELAY2

RETUNE: RETI

DISP:   MOV        A, LED_0               数码显示子程序

         MOVC    A,@A+DPTR

         CLR      P2.3

         MOV     P0, A

         LCALL    DELAY

         SETB       P2.3

        MOV       A, LED_1

        MOVC    A,@A+DPTR

        CLR       P2.2

        MOV       P0, A

        LCALL    DELAY

        SETB       P2.2

        MOV      A, LED_2

        MOVC    A,@A+DPTR

        CL R    P2.1

        MOV    P0, A

        LCALL    DELAY

        SETB    P2.1

        RET

 DELAY:    MOV    R6, #10

    D1:    MOV    R7, #250

             DJNZ    R7, $

             DJNZ    R6, D1

            RET

DELAY2:  MOV    R5,#20

    D2:    MOV    R6, #20

    D3:    MOV    R7, #250

             DJNZ    R7, $

             DJNZ    R6, D3

             DJNZ    R5, D2

              RET

TABLE:  DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H

         DB 6DH, 7DH, 07H, 7FH, FH

END

总   结

AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。 AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 µV)和低失调漂移(最大0.6 µV/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。 　　由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1 pA/ √Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。

经过这段时间的单片机课程设计，终于完成了我的课程设计历程，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次课程设计让自己收获颇丰，高兴之余不得不深思。

在课程本次设计的过程中，我发现很多的问题，通过这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，因为课程设计时间有限，加之缺少对工业现场整体把握的经验，导致本设计在功能上还不十分完善。

从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

我想我会在今后的学习生活中更加努力的去学习单片机的知识，不断加强自己的理论知识，努力完成更多的设计与创作。

致   谢

本次课程设计对与我来说是学习本专业的一段经历，从设计之初的无从下手到设计工作的完成，期间遇到了诸多的问题和困难。但在杨全玖老师的细心指导和帮助下，通过自己的努力，最终这些问题与困难都得到了解决。使我可以按时完成课程设计并使自己的专业知识与综合能力都得到了相应的提高。在课程设计过程中。杨老师在百忙中对我的毕业设计进行了指导。杨老师首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，他又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。感谢杨老师对我的设计不厌其烦的细心指点。在课程设计写作中，每周都能得到杨老师的亲切指点。从框架的完善，到内容的扩充；从行文的用语到格式的规范；杨老师都严格要求，力求完美。而且我还从杨老师那里学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神。我再次为杨老师的耐心付出表示感谢。

参考文献

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[3] 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社.

[4] PT100铂金属温度传感器使用说明书.北京亿学通电子.

[5] 伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书.

[6] 李广弟等.单片机基础[M].北京航空航天出版社，2001.

[7] 王东峰等.单片机C语言应用100例[M].电子工业出版社，2009.

[8] 陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.