基于单片机的热敏电阻测温系统设计

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（-60～300℃）、中温（300～600℃）、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10～100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-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；

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0.1～100kΩ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。

精选

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，但速度快8—12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, -40℃～85℃

5 .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

第3章硬件设计

3.1总设计框图

温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／R4＝TEC／RT，即RT＝TEC×R4／TSC

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，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℃。

精选

图3-2 测温电路原理图

3.2 STC89C51介绍

STC89C51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。