1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 1 页 共 14 页第 1 章 绪论1.1 热敏电阻热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成， 热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应
2、也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。1.2 工作原理负温度系数热敏电阻主要材料有氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60300）、中温（300600）、高温（600）三种。1.3 热敏电阻的特点1.灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10100 倍以上，能检测出 10-6的温度变化；2.工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件
3、适用温度高于315（目前最高可达到 2000），低温器件适用于-27355；3.体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；4.使用方便，电阻值可在 0.1100k 间任意选择；5.易加工成复杂的形状，可大批量生产；6.稳定性好、过载能力强。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第 2 页 共 14 页第 2 章 单片机介绍2.1 单片机单片机（Single chip microcomputer）微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完
4、成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。2.2 STC 单片机STC 单片机的供应商是以 51 内核为主的系列单片机，STC 单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机的供应商，指令代码完全兼容传统 8051，但速
5、度快 812 倍，内部集成 MAX810 专用复位电路。4 路 PWM 8 路高速 10 位 A、D 转换，针对电机控制，强干扰场合。2.2.1 STC 单片机特点1 .I/O 口经过特殊处理2 .轻松过 2KV/4KV 快速脉冲干扰(EFT 测试）3 .宽电压，不怕电源抖动4 .宽温度范围, -40855 .高抗静电（ESD 保护）6 .单片机内部的时钟电路经过特殊处理7 .单片机内部的电源供电系统经过特殊处理8 .单片机内部的看门狗电路经过特殊处理9 .单片机内部的复位电路经过特殊处理吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 3 页 共 14 页第 3 章 硬件设计3.1 总设计框图温
6、度测量模块主要为温度测量电桥。首先通过热敏电阻进行温度采集,然后利用模数转换器进行模数转换，再经过单片机进行处理，最后通过 LED 数码管显示温度。图 3-1 系统总设计框图3.2 温度测量基于热敏电阻设计的电路原理图如图 3-2 所示，其工作原理为：（1）将 P1.0 设为低电平， P1.1、P1.2 为低电平，Q1 导通，J1、J2 截止，使 C4 放电 至完全,P3.2 为高电平（2）将 P1.0 设为高电平、 P1.1 为高电平，P1.2 为低电平，Q1 截止，J1 导通，J2 截止，通过 R4 电阻对 C4 充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测 P3.2 口状态，当 P3.2
7、口检测为低电平时，即 C4 上的电压充至完全，单片机计时器记录下从开始充电到 P3.2 口转变为低电平的时间 TSC（3）将 P1.0 设为低电平， P1.1、P1.2 为低电平，Q1 导通，J1、J2 截止，使 C4 放电 至完全,P3.2 为高电平（4）将 P1.0 设为高电平、 P1.1 为低电平，P1.2 为高电平，Q1 截止，J2 导通，J1 截止，通过 RT 电阻对 C4 充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测 P3.2 口状态，当 P3.2 口检测为低电平时，即 C4 上的电压充至完全，单片机计时器记录下从开始放电到 P3.2 口转变为低电平的时间 TEC可以得到：TSC R
8、4TECRT，即 RTTECR4TSC通过单片机计算得到热敏电阻 RT 的阻值。并通过执行程序可以得到温度值。从上面所述可以看出，该测温电路的误差来源于这几个方面：单片机的定时器精度、R4 电阻的精度、热敏电阻 RT 的精度，而与单片机的输出电压值、门限电压值、电容精度无关。因此，适当选取热敏电阻和精密电阻的精度，单片机的工作频率够高，吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第 4 页 共 14 页就可以得到较好的测温精度。当单片机选用 12MHz 频率，R4、RT 均为 1精度的电阻时，温度误差可以做到小于 1。图 3-2 测温电路原理图3.2 STC89C51 介绍STC89C5
9、1 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中 STC89C51 是一种高效微控制器，STC89C2051 是它的一种精简版本。STC89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 3-3 所示。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 5 页 共 14 页图 3-3 管脚图在操作过程中，运用到几个重要的引脚接口 VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P
10、0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口
11、缓冲器可接收，输出4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部
12、上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第 6 页 共 14 页ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 A
13、LE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期
14、间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.4 LED 数码管LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,h 来表示。当数码管特定的
15、段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。LED 显示器有共阴极和共阳极两种，以共阴极为例，要显示数字 0，需要满足两个条件，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 段加高电平 1，g 段加低电平 0。例如，将 KEY/LED CS 接到 CS0 上，则段码地址为 08004H，位码地址为 08002H 七段数码管的字型显示表如下: 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 7 页 共 14 页表 3-1 数码管字型显示图 3-4 LED 显示显示过程如下：经过单片机 P0 输出的八位二进制码，变换成 BC
16、D 码，在数码管上显示，经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的温度值。程序框图如下：吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第 8 页 共 14 页吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 9 页 共 14 页第 4 章 软件设计本设计中采用的处理器是 STC 单片机，由此可采用面向 MCS-51 的程序设计语言，包括 ASM51 汇编语言和 C51 高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问 I/O 端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数学运算程序则适合用 C51 高级语言编写，因为用高级语
17、言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。考虑到设计中要用到乘除运算，在智能测控装置的基本功能软件开发中，全部程序均采用 C51 高级语言编写4.1 程序设计程序主要由主程序和子程序两部分构成。1.主程序主要实现系统的初始化，温度信号采集。 系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等） ，通信的初始化,LED 显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。 2.子程序主要有延时程序和显示程序等。显示程序包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成LED 显示所需的数据类型） 。4.2 测量设计在本次设计中，针对不同电阻对电容的充放电过程是测
18、量温度的关键所在。其原理是先让 C4 放电，接着通过延时电路让标准电阻对 C4 充电，当 P3.2 为 0 时，记录下时间 TSC，接着继续使 C4 放电，让热敏电阻对 C4 充电，记录下时间 TEC，最后通过得出线性插值，求出温度。TSCRE4吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第 10 页 共 14页总 结通过一段时间学习，最后完成了我的设计任务热敏电阻测温系统设计。本次设计课不仅仅培养了我们实际操作能力，更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，让同学们学以致用通过综合分析，
19、找出学习中存在吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 11 页 共 14页的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。起初我不知道单片机是什么，但是通过这次课程设计我看到了了单片机的巨大应用市场，觉得这是一个非常有用的东西，学习它会很有助于我们日后的学习和工作。此次课程设计软件与硬件结合，考察了我们的焊接水平与编程能力。因为之前做过焊接的电工实习，所以对于我们来说焊接不成问题，也很顺利。但是到了编程时就出现了很大的障碍，本来以为编程很简单，等到实际操作起来才知道它的复杂性，没有想象中的那么得心应手，理解流程是有思维的前提。其实本身程序的思维是正确的，只是步骤中有点小错误，
20、所以导致整个程序的结果很论，在仔细修改程序之后，终于达到效果。致 谢本设计是在老师的精心指导和严格要求下完成的，首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善。同吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计（论文）第 12 页 共 14页时感谢实验室的等老师，他们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的方便。其次要感谢我的同学，课程设计的完成，让我在其中学到了许多，尤其是学会了合作，懂得了合作造就的效益和成果。在这里再次感谢和我一起搭档的同学，还有对我们精心指导的老师。参考
21、文献1.陈利永. 数字电路与逻辑设计. 中国铁道出版社，2011.6：吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第 13 页 共 14页2.潘松， EDA 实用教程 ，科学出版社，2004 年3.刘江海.EDA 技术课程设计.华中科技大学出版社，2009.5 4.焦素敏.EDA 应用技术.清华大学出版社，2002.4 5.VHDL 程序设计(第二版). 曾繁泰等. 清华大学出版社 6.VHDL 入门与应用陈雪松, 滕立中 .人民邮电出版社 7.陈利永. 数字电路与逻辑设计. 中国铁道出版社，2011.6：8.求是科技. 单片机典型模块设计实例导航. 北京：人民邮电出版社. 2005.8 9.徐淑华, 程退安等.单片微型机原理及应用. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 2005.1 10.孙余凯. 精选实用电子电路 260 例. 北京：电子工业出版社. 2007.6 11.何立民.单片机应用系统设计M.北京：航空航天大学出版社，199512.李建忠.单片机原理及应用M.西安电子科技大学出版社，2004
