暑期电子设计大赛课题-基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统的设计

2011年暑期电子设计大赛课题一

基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统的设计

基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统设计

内容摘要：

本文叙述了用单片机作为控制器，用NTC热敏电阻制作的温度传感器实现温度变化到电压变化后通过仪用放大器放大后通过AD转换再将数据送给单片机处理后用LED显示出来实现温度测量，并可利用单片机控制蜂鸣器发声和八个发光二极管亮灭来实现报警，同时还可以通过单片机控制水泥电阻给热敏电阻加热来实现温度控制的温度测量和控制系统的设计。该系统使用单片机开发板作为控制系统，而将温度传感器和加热器制作在单独一块板子上，工作时将两块板子连接起来使用。由于单片机开发板上已经有了按键、LED数码管、蜂鸣器以及AD 等，因此可以完全满足控制系统的需求。单片机可以用USB供电，而另外一块板子可以用实验室的直流电源作为供电系。

本文最后附带了该系统的c51程序，可以方便其他人员阅读以及在此基础上进行修改，使系统功能更加完善。实验表明该系统能够实验温度的测量、温度报警、温度查询、温度的控制等功能，完全满足该课题的基本要求和扩展要求。

关键词：单片机、NTC温度传感器、水泥电阻加热器

绪论 (4)

方案设计 (4)

理论分析 (4)

系统总体方案的设计及其原理概述原理图 (5)

系统各个模块的方案论证与设计 (6)

系统温度采集电路的设计 (6)

信号调理电路的原理与设计 (7)

温度控制电路的设计 (9)

脉宽调制的基本原理简介 (9)

温度控制电路的原理与电路的设计 (9)

报警电路的设计 (10)

报警电路的原理与电路的设计 (10)

控制电路的原理与设计 (11)

AD0804的采样原理及与单片机的连接方法 (11)

LED显示电路的原理及与单片机的连接方法 (11)

简易键盘的扫描原理及与单片机的连接方法 (12)

系统软件的设计 (12)

测试数据的性化处理 (12)

系统流程图 (13)

系统性能测试与分析测试 (16)

测试仪器与设备 (16)

测试方案与结果 (16)

结论 (17)

致谢 (17)

参考文献 (17)

附录 (18)

绪论

随着时代的进步，温度计在日常生产生活和工农业领域发挥越来越重要的作用，简单的温度计能够满足人们日常生产生活需要，但在一些工农业生产领域不仅要求能准确测量温度并且要求能够进行温度报警和温度的控制，因此在简单的温度计往往不能满足人们的要求。利用单片机作为控制系统的NTC温敏电阻温度测量和控制系统更能符合工农业生产领域的需求。该系统不能能进行温度的测量并且将温度通过LED数码管显示出来使读取更加方便，该系统还能设定温度上下限实现声光报警，并且该系统还能对温度进行控制，因此在使用和功能上都比传统的温度计优越。该系统可以用在需要对温度要求比较精密的环境中，可以利用该系统的精确温度测量、报警和温度控制功能来保证生产过程的顺利进行。

方案设计

理论分析

根据任务要求，要求制作一个基于NTC热敏电阻的温度测量和控制系统。测量范围为0-100摄氏度。测量精度为+—1摄氏度，能够记录24小时内每隔三十分钟温度值，并能够用数码管回调固定时刻的温度值，能够显示24小时内的温度平均值、最大值、最小值、和最大温差，具有报警功能当温度超过设定阈值时能够报警（要求有1摄氏度的回差）。在扩展部分要求制作一个温度控制元件，能够用LED显示设定温度值和实际测量值，设定温度范围为：40——60摄氏度。并要求采用适当的方法，当设定温度或者环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量，温度控制的静态误差<=0.2摄氏度。

分析任务要求，该系统要用NTC温敏电阻作为测温元件，NTC热敏电阻是一种负温度特性的热敏电阻，其阻值随温度的变化曲线如下所示：

图表 1

由图可知，NTC的阻值随温度的上升而下降，其阻值和温度呈非线性特性，因此必须采用一定的方法对曲线进行线性化处理。其测量原理是利用通过测量其阻值，通过其温度特性曲线便可求的环境温度。但因为温度不便于测量且不便于其他电路处理。通常是将电阻的变化转化为电压的变化通过测量电压变化测得温度的变化。

由于采集到的电压信号是模拟信号，不能被数字系统处理，因此必须通过AD转换器，将模拟信号转换成数字信号。一般AD转换器的基准电压要求为2.5v，而采集到的电压信号很微弱，必需经过放大后才能送给AD转换器，因此在系统中还必须有信号放大的信号调理电路。

该系统要求具有报警和控温功能，因此必须有报警装置和控温元件，报警装置可以蜂鸣器和发光二极管来实现。而控温可以制作一个加热器作为控温元件，系统要求能采用适当的方法来实现改变系统的超调量和调节时间，因此可以采用脉冲宽度调制来实现。报警装置和控温装置可以通过三极管来驱动。

该系统应该有一个控制器，用以控制温度的显示报警和温度控制等功能。该控制器可以采用单片机，FPGA，或者DSP来实现。

系统总体方案的设计及其原理概述原理图

根据以上分析可知，该系统应该包括用NTC热敏电阻制作的温度传感器，对传感器信号放大的信号调理电路，加热器，显示电路，报警电路，按键和控制器组成。由于单片机作为控制器价格便宜，控制性能好，电路方便，已能完全满足该系统的要求，因此综合考虑用单片机作为该系统的控制器。

该系统通过NTC热敏电阻制作的传感器采集温度，将采集到的值送给单片

机处理后通过LED显示出来，并可将处理后的值与设定的温度值进行比较看是否超过设定范围来实现报警。在控制温度模式下，可以通过单片机控制加热器来加热，实现温度控制。系统原理图如下：

系统各个模块的方案论证与设计

系统温度采集电路的设计

温度采集电路主要由用NTC热敏电阻制作的温度传感器来实现，而NTC测温原理主要是基于基于将NTC阻值随温度变化转换为电压变化来实现。将NTC 热敏电阻值变换转换为电压的变化有以下几种方案。

方案一：采用恒流源给热敏电阻供电，由于通过电阻的电流恒定，因此只要测出器两端的电压就可以测出其阻值。该方案电路设计简单，测量也方便实现，但对恒流源要求较高，且抗干扰能力较差。

方案二：采用差动电桥进行测量。