基于51单片机的热敏电阻数字温度计设计

摘  要

温度计量是计量学的一个重要分支，它在国民经济各领域中占有重要的地位。人们的日常生活、工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系。

本文在查阅、分析了现有的几种不同的测温原理，分析确定了热敏电阻测温，并对基于热敏电阻pt100的数字温度计的设计进行了深入探讨和研究。该系统分为测温模块、信号放大模块、A/D转换模块和控制显示模块，并分别对其进行方案分析，最终确定数字温度计系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了各模块电路的工作原理，分析了以AT89C51单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行误差分析，使我们对于系统的各种性能有了进一步认识。

本文用protues进行仿真，采用at89c51单片机作为处理的核心部分；用pt100作为温度传感器，把采集到的温度经放大后送到adc0804进行A/D转换，经过at89c51单片机处理后送到显示器，显示器将显示采集的温度。

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第一章  绪 言

第一节 课题背景

二十一世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺韵一个重要领域。

在信息化社会，几乎没有任何一种技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理都息息相关。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。可以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，它与通讯技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、声学、精密机械、材料科学等众多科学相互交叉的综合性高新科技技术密集型前沿技术之一，广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环境保护、灾害预测预防、农业、机器人、家电等各个领域，可以说几乎渗透到人类活动的各个领域。

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。其测量控制一般应用各式各样形态的温度传感器。我国广泛应用于气象、环保、纺织、生化等行业德各个方面，另外农业、食品、木材、煤炭等对温度传感器的需求也在不断增加。金属铂的电阻值随温度变化而变化基本成线形关系，并且具有很好的重现性和稳定性，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-200—650℃最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温及各种实验仪器仪表等领域，而且被制成各种标准温度计(涵盖国家和世界基准温度)供计量和校准使用。

第二节 国内外研究的发展及现状

一、温度传感器的的概述及发展现状

二十一世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之二。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。八十年代以来，西方国家一直将此列为重点发展高新技术。改革开放二十多年来，我国建立了“传感技术国家重点实验室"、“微米／纳米国家重点实验室’’、“国家传感技术工程中心’’等研究开发基地；在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格的新产品，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种；同时全国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS(微电子与微机械的结合)研制生产的已有50多家。目前全行业正在执行“十一五”计划，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点。2004年上半年，产品产销量继续增长，预计到“十一五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿只，销售总额将达约120亿元，从而初步形成了电子制造业中的经济增长点。

传感器作为信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。进入二十一世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。同时多种高精度、高分辨力的温度传感器已在相继推出与研制。由美国DALLAS半导体公司新研制的DSl624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0．03125℃，测温精度为正负0．2℃。转换时间分别仅为27us。．目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统，它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108—109元件／片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：1．传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；2．模拟集成温度传感器／控制器；3．智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在二十一世纪九十年代中期闯世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A／D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器和只读存储器。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入二十一世纪后智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、‘开发基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的，利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标的虚拟传感器和包含数字传感器、网络接口和处理单元的网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展”

二、传感器检测技术概述及发展现状

工业设备在制造过程及整机性能测试中离不开各种机械量和几何量，有些工业设备在运行中还要经常对多种物理量进行检测或监视，实际生产、生活和科学实验中还会遇到化学量、生物量(包括医学)，而所有这一切，从信号工程的角度来看，都需要通过传感器，将其转换成电信号(近代还可以转换成光信号)，而后再进行信号的传输、处理、存储、显示、控制从信息的角度看，这些信号连同声音和图象信息都是信息的源头，所以传感器和检测仪表、测量仪表是信息科学技术的三部分(信息获取、信息传输、信息处理)中的重要部分。

在现代工业设备中，传感器和检测仪表是不可或缺的一部分的理由，还可由以下两方面来看：传统的工业设备如在其上增加了必要的传感器，配备精密测量部件，则其功能和精度可以提高，便于用户操作和维护，安全等级也可以提高，设备可以增值；工业设备作为自动化系统的控制对象或作为自动化系统的一部分，必须能与自动化系统的三部分相兼容或提供接口，使之集成为一个有机的整体，无论是单机自动化或作为大型自动化装置的一部分，都使该工业设备的用途扩大。

综上所述，作为工业设备本身增加传感器和检测仪表、测量仪表或提供接口，是传统设备更新换代的必要条件。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业，是二十一世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器(如EJX变送器)。微电子机械加工技术，包括微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术(X光深层光刻、微电铸和微复制技术)、激光微加工技术和徽型封装技术等。MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。传感器的检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器和微处理器及相关集成电路(运算放大器、A/D或D/A、存贮器、网络通讯接口电路)等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化、网络化。目前主要是指采用多种现场总线和以太网(互联网)，这要按各行业的特点，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS—imerbus、TCP／IP。除MEMS外，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型盆子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等。多传感器数据融合技术正在形成热点，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以至于融合，这是必然的趋势。多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。多传感器数据融合的定义概括为：把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确定性，获得对被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层融合、特征层融合、决策层融合。由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步推广应用。应用领域除军事外，还适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。

三、数据采集技术概述及发展现状

信息社会的发展，在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。数字信号处理技术的出现改变了信息与信号处理技术的整个面貌，而数据采集作为数字信号处理的必不可少的前期工作在整个数字系统中起到关键性、乃至决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的各个领域中。数据采集技术(Data Acquisition)是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。将被测对象的各种参量检测采集后，转换成数字信号送到计算机进行存储、分析和处理，这一过程称为“数据采集”。相应的系统称为数据采集系统。根据系统结构的不同，数据采集控制系统可分为集中式数据采集系统和分布式数据采集系统，前者的特点是现场进行数据采集、处理与控制，上位机与被测对象的位置较进，时实性强，适用于上位机与被测对象距离较短目标采集，速度要求较高的场合。后者对被测设备进行数据采集并转换成数字信号，经由现场总线上传至上位机，经上位机进行处理后，对现场设备进行控制，适用于对多个现场设备进行远程监控与维护的场合。数据采集系统的任务：采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统大多采用单片机作为微处理器，以此来测量各种参数的大小，并将测量值通过串口传输到上位机。采用这种设计，系统制造简单、成本低。本文就介绍了一种以MSP430单片机为核心的数据采集系统，Pt膜温度传感器的参数经过电路转换后成为可测量的参数，传给上位机完成Pt膜温度传感器性能参数的测量。

第三节 本课题研究的内容

1、通过查阅国内外相关文献资料，了解数字温度计的发展历程，对数字温度计的现状，技术水平和发展趋势有一个初步的认识和了解；

2、研究温度传感器的理论原理和发展应用；

3、研究温度的采集过程，将微弱的模拟信号进行放大，及其通过单片机处理过后怎样将温度显示出来；

4、研究由于温度与电阻值的非线性变换，采用怎样的校正电路进行校正。

第二章  系统的硬件设计

第一节 总体设计方案

使用铂热电阻PT100，其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。厂家提供有PT100在各温度下电阻值值的分度表，在此可以近似取电阻变化率为 0.385Ω/℃。向PT100输入稳恒电流，再通过A/D转换后测PT100两端电压，即得到PT100的电阻值，进而算出当前的温度值。

采用2.55mA的电流源对PT100进行供电，然后用运算放大器LM324搭建的同相放大电路将其电压信号放大25倍后输入到AD0804中。利用电阻变化率0.385Ω/℃的特性，计算出当前温度值。

温度计电路设计总体设计方框图如图2-1所示。

图2-1  电路设计总体设计方框图

第二节 单片机

一、AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

二、管脚说明

如图2-2为AT89C51引脚图,各引脚功能说明如下:

图2-2  AT89C51引脚图

VCC: 电源

GND: 地

P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表2-1所示。

表2-1 AT89C51引脚号第二功能

RST:复位输入，晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出69个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

三、振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器配置为片内振荡器时，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。采用外部时钟源驱动器件时，由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

四、芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。