第1章緒論1.1熱敏電阻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〕。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、開展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，熱敏電阻是用半導體材料，大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。1.2工作原理負溫度系數(shù)熱敏電阻主要材料有氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫〔-60～300℃〕、中溫〔300～600℃〕、高溫〔>600℃〕三種。1.3熱敏電阻的特點1.靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；2.工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃〔目前最高可到達2000℃〕，低溫器件適用于-273℃～55℃；3.體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；4.使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；5.易加工成復雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；6.穩(wěn)定性好、過載能力強。第2章單片機介紹2.1單片機單片機〔Singlechipmicrocomputer〕微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器〔MicrocontrollerUnit〕，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能〔可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路〕集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。2.2STC單片機STC單片機的供給商是以51內(nèi)核為主的系列單片機，STC單片機是宏晶生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機的供給商，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8—12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。4路PWM8路高速10位A、D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。2.2.1STC單片機特點1.I/O口經(jīng)過特殊處理2.輕松過2KV/4KV快速脈沖干擾(EFT測試〕3.寬電壓，不怕電源抖動4.寬溫度范圍,-40℃～85℃5.高抗靜電〔ESD保護〕6.單片機內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理7.單片機內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理8.單片機內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理9.單片機內(nèi)部的復位電路經(jīng)過特殊處理第3章硬件設計3.1總設計框圖溫度測量模塊主要為溫度測量電橋。首先通過熱敏電阻進行溫度采集,然后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單片機進行處理，最后通過LED數(shù)碼管顯示溫度。圖3-1系統(tǒng)總設計框圖3.2溫度測量基于熱敏電阻設計的電路原理圖如圖3-2所示，其工作原理為：〔1〕將P1.0設為低電平，P1.1、P1.2為低電平，Q1導通，J1、J2截止，使C4放電至完全,P3.2為高電平〔2〕將P1.0設為高電平、P1.1為高電平，P1.2為低電平，Q1截止，J1導通，J2截止，通過R4電阻對C4充電，單片機內(nèi)部計時器清零并開始計時，檢測P3.2口狀態(tài)，當P3.2口檢測為低電平時，即C4上的電壓充至完全，單片機計時器記錄下從開始充電到P3.2口轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降臅r間TSC〔3〕將P1.0設為低電平，P1.1、P1.2為低電平，Q1導通，J1、J2截止，使C4放電至完全,P3.2為高電平〔4〕將P1.0設為高電平、P1.1為低電平，P1.2為高電平，Q1截止，J2導通，J1截止，通過RT電阻對C4充電，單片機內(nèi)部計時器清零并開始計時，檢測P3.2口狀態(tài)，當P3.2口檢測為低電平時，即C4上的電壓充至完全，單片機計時器記錄下從開始放電到P3.2口轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降臅r間TEC可以得到：TSC／R4＝TEC／RT，即RT＝TEC×R4／TSC通過單片機計算得到熱敏電阻RT的阻值。并通過執(zhí)行程序可以得到溫度值。從上面所述可以看出，該測溫電路的誤差來源于這幾個方面：單片機的定時器精度、R4電阻的精度、熱敏電阻RT的精度，而與單片機的輸出電壓值、門限電壓值、電容精度無關。因此，適中選取熱敏電阻和精密電阻的精度，單片機的工作頻率夠高，就可以得到較好的測溫精度。當單片機選用12MHz頻率，R4、RT均為1％精度的電阻時，溫度誤差可以做到小于1℃圖3-2測溫電路原理圖3.2STC89C51介紹STC89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中STC89C51是一種高效微控制器，STC89C2051是它的一種精簡版本。STC89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3-3所示。圖3-3管腳圖在操作過程中，運用到幾個重要的引腳接口VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1〞時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1〞后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。3.4LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,h來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。LED顯示器有共陰極和共陽極兩種，以共陰極為例，要顯示數(shù)字0，需要滿足兩個條件，一是公共端子COM接地，二是a、b、c、d、e、f段亮，g段不亮，即a、b、c、d、e、f段加高電平1，g段加低電平0。例如，將KEY/LEDCS接到CS0上，那么段碼地址為08004H，位碼地址為08002H七段數(shù)碼管的字型顯示表如下:表3-1數(shù)碼管字型顯示圖3-4LED顯示顯示過程如下：經(jīng)過單片機P0輸出的八位二進制碼，變換成BCD碼，在數(shù)碼管上顯示，經(jīng)過段選信號和位選信號的控制，最后在相應數(shù)碼管上顯示出相應的溫度值。程序框圖如下：第4章軟件設計本設計中采用的處理器是STC單片機，由此可采用面向MCS-51的程序設計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。匯編語言更接近機器語言，常用來編制與系統(tǒng)硬件相關的程序，如訪問I/O端口、中斷處理程序、實時控制程序、實時通信程序等；而數(shù)學運算程序那么適合用C51高級語言編寫，因為用高級語言編寫運算程序可提高編程效率和應用程序的可靠性?？紤]到設計中要用到乘除運算，在智能測控裝置的根本功能軟件開發(fā)中，全部程序均采用C51高級語言編寫4.1程序設計程序主要由主程序和子程序兩局部構(gòu)成。1.主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，溫度信號采集。系統(tǒng)的初始化包括存放器的初始化〔控制存放器、堆棧、中斷存放器等〕，通信的初始化,LED顯示的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計數(shù)據(jù)的初始化。2.子程序主要有延時程序和顯示程序等。顯示程序包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換〔主要實現(xiàn)將各類參數(shù)、測量數(shù)據(jù)、計算累計值等轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型〕。4.2測量設計在本次設計中，針對不同電阻對電容的充放電過程是測量溫度的關鍵所在。其原理是先讓C4放電，接著通過延時電路讓標準電阻對C4充電，當P3.2為0時，記錄下時間TSC，接著繼續(xù)使C4放電，讓熱敏電阻對C4充電，記錄下時間TEC，最后通過得出線性插值，求出溫度?？偨Y(jié)通過一段時間學習，最后完成了我的設計任務——熱敏電阻測溫系統(tǒng)設計。本次設計課不僅僅培養(yǎng)了我們實際操作能力，更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐，讓同學們學以致用通過綜合分析，找出學習中存在的缺乏，以便為完善學習方案，改變學習內(nèi)容與方法提供實踐依據(jù)。起初我不知道單片機是什么，但是通過這次課程設計我看到了了單片機的巨大應用市場，覺得這是一個非常有用的東西，學習它會很有助于我們?nèi)蘸蟮膶W習和工作。此次課程設計軟件與硬件結(jié)合，考察了我們的焊接水平與編程能力。因為之前做過焊接的電工實習，所以對于我們來說焊接不成問題，也很順利。但是到了編程時就出現(xiàn)了很大的障礙，本來以為編程很簡單，等到實際操作起來才知道它的復雜性，沒有想象中的那么得心應手，理解流程是有思維的前提。其實本身程序的思維是正確的，只是步驟中有點小錯誤，所以導致整個程序的結(jié)果很論，在仔細修改程序之后，終于到達效果。致謝本設計是在老師的精心指導和嚴格要求下完成的，首先我要感謝我的老師在課程設計上給予我的指導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設計的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把設計做得更加完善。同時感謝實驗室的等老師，他們給我們提供了必要的實驗器材，提供了很大的方便。其次要感謝我的同學，課程設計的完成，讓我在其中學到了許多，尤其是學會了合作，懂得了合作造就的效益和成果。在這里再次感謝和我一起伙伴的同學，還有對我們精心指導的老師。參考文獻[1].陳利永.數(shù)字電路與邏輯設計.中國鐵道出版社，2023.6：[2].潘松，《EDA實用教程》，科學出版社，2004年[3].劉江海.《EDA技術課程設計》.華中科技大學出版社，2023.5[4].焦素敏.《EDA應用技術》.清華大學出版社，2002.4[5].《VHDL程序設計》(第二版).曾繁泰等.