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1、【标题】温度采集及报警系统的设计 【作者】曾 聪 【关键词】单片机 LM331热敏电阻软件系统硬件系统 【指导老师】孙艳菱 【专业】电子信息科学与技术 【正文】1.前言1.1温度采集报警系统的设计背景随着人们生活质量的提高，现代社会中对温度的采集和控制不仅应用工厂生产也应用于酒店、厂房以及家庭生活中。在一些实际应用中，如：在温度要求极其严格的生产厂房，温度极小变化便可能对生产造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时采集温度并提供温度数据值，使人们能够对温度做及时调整的电路。而温度采集报警系统的设计就是对所处不同环境下温度值的采集和处理，当温度超过预设值时，提供报警，同时也可以通过按键让人们能
2、够及时调整、改变温度而达到所需值，从而使温度能够有效地服务于社会生产和生活。在目前众多的单片机测温电路中，对温度的采集信号的处理多采用A/D转换器模数转换为数字信号后再交由单片机处理、执行。但传统的A/D转换器在数据长距离传输、精度要求高、资金有限的场合下明显受限，而且电路接口复杂。本设计中提出的是一种将由V/F转换器来代替A/D转换器，通过利用单片机内部的两个定时器/计数器的协调工作，测量频率的方法来测量温度值。1.2温度采集报警系统设计的现实意义在现实生活中，温度采集报警系统是用于对温度进行采集和监控常见的电路，传统的温度采集报警系统电路多由A/D转换器作为主要芯片。虽然A/D转换技术得到
3、了广泛应用，而且利用A/D转换技术制成的各种测试仪器因其测量结果准确而受欢迎，但是在一些要求数据长距离传输、精确度较高的场合，采用一般的A/D转换技术就有诸多不便，这时可使用V/F转换器代替A/D器件。V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性度和积分输入特点。此外，它应用简单，对外围元件要求不高，环境适应能力强，转换速度不低于一般的双积分型A/D器件，而且价格便宜、接口电路简单。所以本次设计使用V/F转换器芯片构成温度采集报警系统。这样即可以依靠单片机的可靠性和极高的性价比，也可能使电路简化。1.3温度采集报警系统的功能单片机温度采集报警系统是利用热敏电阻与温度的关系，
4、由热敏电阻构成分压电路采集温度信号，并将温度信号转换为电压信号，通过电压/频率转换芯片转换成一定频率的方波信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阳极数码管。系统采用热敏电阻增加了采集温度的范围，同时该系统还具有超温报警和自动控制功能。除此之外，考虑到测控会用于工业生产当中，可靠性要求比较重要，并要具有抗干扰能力和避免、消除干扰的能力，以保证系统平稳工作。2.系统总体分析2.1设计思路及总体框图本系统设计思路是：首先由热敏电阻采集温度信号，再把其通过电压频率转换器转换为一定频率的方波信号，最后再交由单片机进行频率测量和数据处理，把处理得到输出值送LED数码管显示。系统中采用了热敏电阻，所以其测
5、温范围比较大，此外还有看门狗复位电路，晶振电路，启动电路等。系统框图如图1.1所示：图1.1系统总体框图系统中选用单片机AT89C51担任中央处理器，选用LM331作为电压/频率转换芯片，选用MAX813L构成看门狗电路。2.2 AT89C51单片机的性能及应用单片机是早期Single Chip Microcomputer的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。鉴于它完
6、全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制(Embedded Microcontrolle)。大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯诺伊曼(Von Neumann)结构。AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS51系列单片机的指令和引脚设置兼容。其主要特征如下：8位CPU内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次完
7、全定态操作：0Hz24Hz，可输出时钟信号128B的片内数据存储器32根可编程I/O线2个16位定时/计数器中断系统有6个中断源，可编为两个优先级一个全双工可编程串行通道具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式值得注意的是，P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的0、1状态立即反映到引脚上。但在输入操作时，如果锁存器状态为0则引脚被钳位0状态，导致无法读出引脚的高电平输入。因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方式）再将其读入到引脚里。
8、例如：要将P1口的状态读入到累加器A中，应执行以下两条指令：MOV P1，#0FFH；P1口置入方式 MOV A， P1；读P1口引脚状态到A另外，I/O口的端口自动识别功能，保证了无论是P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）的总线复用，还是P3口的功能复用，内部资源自动选择而不需要用指令进行状态选择。3.硬件电路设计3.1电路原理图及其工作原理硬件电路图如图3.1（见附录A）所示，本系统采用AT89C51作为控制芯片，由热敏电阻的分压电路进行温度信号的采集并转换为电压信号，通过由芯片LM331及CBB型电容、电阻构成V/F转换电路，把电压信号转换为一定脉冲的频率信号输出。再通过单片机AT8
9、9C51进行数据处理后，一方面，把温度值通过四位动态数码管显示出来，当温度超过预设值时，数码管显示“FFFF”，同时使P1.7变为高电平，从而驱动蜂鸣器报警。另一方面，通过开关K2、K3、K4的开关闭合情况来控制可控硅Z0409（Q8、Q9）的通断，来驱动电机的工作使温度升高或者降低（图中由D1、D2发光二极管的亮、暗来代替）。图中图中K11、K22、K33分别接单片机的P1.1、PI.2、P1.3， L、H接单片机的P2.1、P2.2。图3.1电路原理图3.2输入电路的设计3.2.1热敏电阻的介绍及阻值温度的转换原理3.2.1.1热敏电阻的介绍热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（N
10、TC）热敏电阻。PTC热敏电阻PTC（Positive Temperature Coeff1Cient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器。该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料。其温度系数及居里点温度
11、随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。NTC热敏电阻NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。它的电阻率和材料常数随材料、成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。3.2.1.2阻值温度的转换原理本系统中使用NTC热敏电阻，当温度升高时，电阻值减小。
12、热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性度较大，因此在使用时要进行线性化处理。线性化处理虽然能够改善热敏电阻的特性曲线，但比较复杂。热敏电阻特性曲线如图3.2所示。为此可以在一定范围内把温度与阻值作线性处理，以简化计算。热敏电阻的应用是为了感知温度，当给热敏电阻通过恒定的电流时，测量电阻两端就得到一个电压，然后通过公式式（3-1）求得温度值：式（3-1）其中的参数如下：T：被测温度；：与热敏电阻特性有关的温度参数；K：与热敏电阻特性有关的系数：热敏电阻两端的电压。图3.2热敏电阻的特性曲线根据这一个公式，则可以计算出热敏电阻的环境温度，即被测温度，这样把电阻随温度的变化关系转换成为电压
13、随温度变化的关系。3.2.2 V/F转换器芯片LM331的工作原理本系统中使用的V/F转换芯片是LM331。LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器V/F转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331的动态范围宽达100dB，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性度，数字分辨率达12位。LM331的输出驱动器采用集电极开路形式，因此可通过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同逻辑电路。LM331可工作在4.0V40V之间，输出可高达40V，而且可以防止VCC短路。该转换电路线性良好，抗干
14、扰能力强，输出范围在10Hz10kHz以上，有利于提高系统的测量范围。LM331的内部电路组成及其与外部器件构成V/F变换电路如图3.4所示。LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。LM331主要管脚功能如图3.3所示：RC：参考电流输入端；CO：电流输出端；FO：频率输出端；CI：电压输入端；HR：阀值图3.3 LM331引脚图图3.4 LM331的内部电路组成外接电阻电容和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳态定时电路。当输入端输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置
15、位，Q输出高电平，输出驱动管导通，输出端为逻辑低电平。同时，电流开关打向右边，电流源对电容充电。此时由于复零晶体管截止,电源Vcc也通过电阻对电容充电。当电容两端充电电压大于的时比较器输出一高电平，使R-S触发器复位，Q端输出低电平，输出驱动管截止，输出端为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容通过复零晶体管迅速放电，电流开关打向左边，电容对电阻放电。当电容放电电压等于输入电压时，输入比较器再次输出高电平，使R-S触发器置位，如此反复循环，构成自激。由此可见,自激频率不仅与、有关，而且与输入电压也有关系，其中由内部基准电压源供给的1.90 V参考电压和外接电阻决定，。如果、和的大小确定，则输出频率与输入电压成正比关系，从而实现V/F变换。其转换关系式如式（3-2）所示：式（3-2）3.2.3 V/F
