基于C8051F410热敏电阻测温仪表的设计.doc

1、信息与控制工程学院硬件课程设计说明书目 录摘要I第1章 主体设计21.1 概述21.2测温仪表的主体原理图21.3器件选择31.3.1 单片机C8051F410的选择31.3.2 热敏电阻的选择3第2章 硬件设计42.1 热敏电阻温度与阻值之间的关系42.2 电源的设计原理42.3 信号调理设计原理52.4 显示电路设计原理6第3章 软件设计73.1 整机软件流程73.2 软件主要程序的设计73.2.1 初始化程序73.3.2 A/D转换函数83.2.3 主程序9第4章 硬件及软件调试104.1系统调试104.1.1硬件调试过程：104.1.2软件调试过程：104.2测试过程：104.2.1.

2、操作步骤104.2.2 测试工具104.2.3测试结果10结论及致谢11参考文献12- 17 -摘要本次硬件课程设计是基于C8051F410单片机的热敏电阻测温仪表的设计。随着高等教育的普及，我们专业的培养目标是应具备精密仪器设计制造以及测量与控制方面基础知识与应用能力。为了能够在各种行业进行仪表的设计及制造，常用电子测量仪器的设计是我们理论联系实际的重要实践环节，是对我们进行的一次综合性专业设计训练，是对我们在高精度仪器设计上的必要的设计实践。该系统利用C8051F410单片机进行温度信号的采集，实现信号转换，温度显示等功能。它用单片机作为主控制芯片，采用热敏电阻实现温度的检测，测量范围很广

3、。基于C8051F410单片机的测温仪表系统具有硬件焊接简单，读数方便，测温范围广等特点，在实际的工程中有着广泛的应用。关键词：C8051F410单片机；热敏电阻；温度测量第1章 主体设计1.1 概述本仪表是基于C8051F410的热敏电阻测温仪表的设计，随着科技的发展，单片机技术传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。因此，了解并掌握单片机以及传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。通过本次实习将巩固我们之前所学的知识，并掌握传感器的的相关知识，使我们的专业技术的水平得到了强化和提高，主要有一下几个方面的能力：1. 加深对电路、模拟电子技术、

4、数字电子技术、单片机技术、电子测量技术等所学专业课程的应用技术的巩固和提高。2掌握电路设计和电路分析的基本方法，掌握常用电子测量原理及测量仪器设备的基本设计方法与制作。进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课理论知识，培养学生设计、计算、绘图、程序编辑、硬件软件调试、文献查阅、报告撰写等基本技能.3. 掌握电路图的绘制和程序的编写。4培养学生软件调试硬件调试实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力。5最重要的是培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真、坚定意志的治学态度和严谨求实的工作作风。1.2测温仪表的主体原理图根据系统设计要求，当温度传感器将采集到的温度信号传给单片机时，单片

5、机利用A/D转换器将信号转换成模拟信号并发送到显示电路显示出来，系统框架图如图1-1所示：信号采集系统供电电路+5v电源 单片机C8051F410信号调理A/D转换器显示电路图1-1系统框架图本测温仪表设计采用热敏电阻作为温度传感器，单片机使用C8051F410芯片为测控系统的核心，来完成数据采集，信号的处理，显示等功能，系统框架流程如图1-1所示，将采集到的温度信号转换为热电阻与温度对应的阻值，需要信号调理电路对电路的温度进行稳定以便于传给单片机；单片机不能直接读取阻值信号，需要将其转换成电压模拟信号，C8051F410内部已经集成了AD转换器，由于其检测电压值幅值受到限至必须将电压信号经过

6、调理电路转换为02.2V即 AD可以接收的电压信号。AD转换器将信号转换成单片机可以识别的数字量信号经过逻辑运算最终计算出实际的温度值，并通过数码管显示出来。1.3器件选择1.3.1 单片机C8051F410的选择单片机即微控制器，单片机控制系统各个领域的应用越来越广泛，在单片机未开发之前，电子产品只能由复杂的模拟电路来实现，不仅体积大，成本高，长期使用后元件老化，控制精度大大降低，单片机开发以后，控制系统变为智能化了，只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。特别是嵌入式技术的发展，必将为单片

7、机的发展提供更广阔的发展空间，近年来，由于超低功耗技术的开发，又出现了低功耗单片机。本系统采用的是低功耗的芯片C8051F410，该单片机是完全集成的低功耗混合信号片上的系统型MCU。具有真12位的通道ADC，带模拟多路器，具有片内上电复位，VDD监视器，看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F410是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。1.3.2 热敏电阻的选择热敏电阻是对热敏感的半导体电阻，其阻值随温度变化的曲线呈非线性，是由具有很高电阻温度系数的固

8、体半导体材料构成的热敏类型的温度检测元件。热敏电阻的主要特点是：灵敏度高，工作范围宽，体积小，使用方便，易加工成复杂的形状，可大批量生产，且稳定性好，过载能力强。按照温度系数的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，本仪表采用的是负温度系数热敏电阻器，在温度越高时电阻值越低，这样便于观察和测量范围。NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器，它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目

9、增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在101000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。第2章 硬件设计2.1 热敏电阻温度与阻值之间的关系电阻值和温度变化的关系式为： RT = RN expB(1/T 1/TN) RT ： 在温度 T （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。 RN ： 在额定温度 TN（K）时的 NTC 热敏电阻阻值。 T ： 规定温度（ K ）。 B ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。 exp： 以自然数 e 为底的指数（ e = 2.71828 ）。 该关系式是经验公式，

10、只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度 T 的函数。2.2 电源的设计原理 电源设计是仪器设计的重要部分，能否提供稳定可靠的干扰较小的电源关系到仪器能否正常工作以及仪器测量的安全性。根据本仪器的设计原理，本设计要求电源能够提供5V的供电电压，220V的交流电经变压器降压后，再经过整流桥、滤波电容器、三端稳压器稳压成所需要的电源电压。电源原理框架图如图2-1所示单片机的供电电压是+5v的直流电源，所以正常的220v的交流电压会击穿单片机，因此采用整流桥，滤波器和稳压器对220v的交流电压进行整流，滤波和稳压以达到单片机的电源的直流电

11、压需求，设计的原理图如图2-2所示： 220v 直流输出 交流变压器整流电路稳压电路滤波电路图2-1 电源框架图图2-2 电源设计原理图 2.3 信号调理设计原理 信号的调理是由于外部采集来的信号单片机不能识别，所以需要信号调理电路对外部的温度信号进行调整，通过C8051F410单片机内部集成的AD转换器来处理模拟信号，而其模拟信号有一定的电压范围，单片机内部的电压基准为1.5V或2.2V。将模拟信号通过 AD转换器转换为其的处理范围,最终计算出实际的温度值并译码显示出来。设计的原理图如图2-2所示： 图2-3 信号调理原理图2.4 显示电路设计原理本测温仪的显示电路采用的是数码管动态扫描，数

12、码管的各个段码分别与单片机的P2.0P2.6口连接，公共端分别接单片机的P0.0P0.3口作为片选信号 ，显示电路原理图如图2-3所示：图2-4 显示电路原理图第3章 软件设计3.1 整机软件流程关闭看门狗 配置系统时钟配置A/D转换器配置交叉开关A/D转换结果利用公式进行计算查表求出T显示电路3.2 软件主要程序的设计3.2.1 初始化程序void CONFIG() PCA0MD = 0x00; /看门狗禁止 REG0CN = 0x10; /内部LDO使能 PFE0CN = 0x20; /预取指令允许位置1 XBR0 = 0x00; /交叉开关配置 XBR1 = 0x40; P1MDIN =

13、 0x7f; P1MDOUT = 0; CLKSEL = 0x00 ; /时钟乘法器 OSCICN = 0x87; /振荡器使能不分频 TMR2CN = 0x04; /开定时器2 TMR2RLH = 0xe0; /定时器2重装载高字节 TMR2RLL = 0x18; /低字节 TMR2H = 0xe0; /定时器2高字节 TMR2L = 0x18; /低字节 IE |= 0x20; /允许TF2L或TF2H标志中断请求 REF0CN = 0x13; /基准电压2.2v ADC0CN = 0x80; /ASC0处于使能状态，可以进行转换数据 ADC0CF = 0xf0; EA = 1; /开启全

14、局中断3.3.2 A/D转换函数void BCD_ZHUANHUAN(int x) /定义转换函数if(x0) /查看转换函数是否转换 x = -x; FUHAO_BIT = 1; else FUHAO_BIT = 0;BCD_ZH0 = x%10;BCD_ZH1 = x/10%10;BCD_ZH2 = x/100;float U_JISUAN(WORD x) return (2.200*(float)(x)/4095);float R_JISUAN(float x)return 3600.0*x/(2.58-x);float T_JISUAN(float x) float T; T = (1

15、/(log(x/10000)/2800+1/298.15); return T;3.2.3 主程序void mian() CONFIG(); /调用初始化程序 while(1) /查询ADC是否一次转换完成 AD = ADC0(); DIANYA =U_JISUAN(AD); R=R_JISUAN(DIANYA); T_=T_JISUAN(R)-273.15; if(XIANSHI_BIT_=1) BCD_ZHUANHUAN(T_*10); XIANSHI_BIT_=0; 第4章 硬件及软件调试4.1系统调试4.1.1硬件调试过程：对于硬件调试的过程大致分为电源的调试和主板电路的调试电源调试：

16、首先对电源的电路板进行硬件检查，看是否有遗漏的器件，检查之后利用万用表对电源的正负极和地线进行测量和检测，看电源的输出电压是否正确。主板调试：主板电路板焊接完成后，检查下电路中没有出现短路和断路的现象，接着就通电进行检查电路。首先将电源和主板进行连接，检测电源是否给单片机进行供电，检测单片机的VDD接口，电源正常供电后检测基准电压接口Vref是否能够稳住2.2V 左右的电压。4.1.2软件调试过程：利用下载器将程序下载到硬件中，本次设计我们采用的IDC10下载口，在用下载器进行程序下载时，经过编译运行后，我们发现程序可以下载到硬件中，但是测温仪表并不现实结果，经过排查后我们发现主程序的编写有不

17、妥之处，进行修改后，仪表正常工作了。 4.2测试过程：4.2.1.操作步骤（1）连接好测温系统与热电阻之间的接线。（2）接好电源，数码管显示当前热敏电阻所测得的温度值。4.2.2 测试工具万用表：测量信号电压和电流输出。4.2.3测试结果用设计的硬件电路来采样温度信号值，通过A/D转换模块，根据热敏电阻的电阻值，分别输入各个温度的阻值，能够以数字形式显示被测温度。结论及致谢通过这次为期3周的硬件实习，我学到了很多东西，并对之前的学过的知识进行了巩固，达到了新旧知识的融会贯通。本次设计的题目是热敏电阻的测温仪表的设计，要求我们自主独立设计方案、编写程序、调试程序、专用芯片下载程序，最后在实现本设

18、计是将现场采集到的温度信号通过热敏电阻以电信号的形式表现出来，通过A/D采集并转换成相应的数字信号输入到单片机中。然后通过单片机的处理，把温度信号通过数码管显示出来，从而实现对现场温度的检测。刚开始我们设计硬件时还有一定的困难，这都是我们不经常接触硬件的原因，经过一点时间的熟悉，我们在老师的指导帮助下设计出整个电路的原理图，并根据原理图进行了硬件的整合焊接，对于硬件的焊接我感觉到了我的兴趣所在，自己动手做出来的硬件包含了我们坚持和汗水，并在动手实践的过程中收获最大的就是我们乐趣以及团队和合作。我觉得这次实习给了我很大的启发和帮助，这对于以后我们个人及团队的发展都有很大好处，这其中的对我们做人也

19、有帮助，使我们能很好的表达自己的想法，很好的与人沟通的能力，这为我们以后工作奠定了良好的基础。这次实习王老师带领我们从了解，认识到掌握硬件设计的含义，培养了我们独立设计，动手能力，编程技术能力等等，王老师的耐心让我们在学习和实践的过程中更有信心面对设计以及今后工作当中的困难和艰辛。参考文献数字电子技术基础，阎石著，北京：高等教育出版社，2007年模拟电子技术基础，童诗白著，北京：高等教育出版社，2000年单片机原理及应用，张毅刚编，北京：高等教育出版社， 2004年电子设计与实践，翟玉文，北京:中国电路出版社, 2005年C8051F410/1/2/3微控制器数据手册，潘琢金译，2006年吉林

20、化工学院毕业设计说明书百度文献附录1附录2/ Ex.cpp : Defines the entry point for the console application./#include #include #define WORD unsigned int#define BYTE unsigned char#define AD_LU 15/*/WORD idata AD;float idata DIANYA,R,T_;BYTE code BCD_tab = 0x01,0x4f,0x12,0x06,0x4c,0x24,0x20,0x0f,0x00,0x04;BYTE code WM_tab =

21、0xFB,0xFD,0xFE;BYTE idata BCD_ZH3;BYTE idata tt=0;BYTE idata t=0;WORD idata XIANSHI_JISHU=0;/*sfr DM = 0xA0;sfr WM = 0x80;/*bit XIANSHI_BIT = 0;bit FUHAO_BIT = 0;bit XIANSHI_BIT_=1;/*void CONFIG()/看门狗禁止，以方便调试 PCA0MD = 0x00; /看门狗禁止 REG0CN = 0x10; /内部LDO使能 PFE0CN = 0x20; /预取指令允许位置1/- /交叉开关配置 XBR0 = 0x

22、00; XBR1 = 0x40; P1MDIN = 0x7f; P1MDOUT = 0;/- /系统时钟配置，采用内部晶振 CLKSEL = 0x00;/时钟乘法器 OSCICN = 0x87;/振荡器使能不分频/-/T2初始化 /T2工作于自动重装载定时方式，定时时间1ms，PID运算时间最短为1ms TMR2CN = 0x04;/开定时器2 TMR2RLH = 0xe0;/定时器2重装载高字节 TMR2RLL = 0x18;/低字节 TMR2H = 0xe0;/定时器2高字节 TMR2L = 0x18;/低字节 IE |= 0x20;/允许TF2L或TF2H标志中断请求 /- /VREF初

23、始化 REF0CN = 0x13;/基准电压2.2v /- /ADC0初始化 ADC0CN = 0x80;/ASC0处于使能状态，可以进行转换数据 ADC0CF = 0xf0; /- EA = 1;/开启全局中断/*void T2_INT()interrupt 5/PID采样时间，最小间隔1msTMR2CN &= 0x7f;/清除TF2中断标志XIANSHI_BIT = 1;if(tt2)tt+;elsett=0;WM = 255;DM = BCD_tabBCD_ZHtt;WM = WM_tabtt;XIANSHI_JISHU+;if(XIANSHI_JISHU100) XIANSHI_JIS

24、HU+; else XIANSHI_JISHU = 0; XIANSHI_BIT_ = 1; /AD转换函数/*WORD ADC0() BYTE x; WORD y; ADC0MX = AD_LU; ADC0CN |=0x10; x = ADC0CN&0x20; while(x=0) x = ADC0CN&0x20; ADC0CN = ADC0CN&0xdf; y = 256*ADC0H+ADC0L; return y;/转换函数/*void BCD_ZHUANHUAN(int x)if(x0) x = -x; FUHAO_BIT = 1; else FUHAO_BIT = 0;BCD_ZH0

25、 = x%10;BCD_ZH1 = x/10%10;BCD_ZH2 = x/100;/*float U_JISUAN(WORD x) return (2.200*(float)(x)/4095);float R_JISUAN(float x)return 3600.0*x/(2.58-x);float T_JISUAN(float x) float T; T = (1/(log(x/10000)/2800+1/298.15); return T;/*/主函数void mian() CONFIG(); while(1) AD = ADC0(); DIANYA =U_JISUAN(AD); R=R_JISUAN(DIANYA); T_=T_JISUAN(R)-273.15; if(XIANSHI_BIT_=1) BCD_ZHUANHUAN(T_*10); XIANSHI_BIT_=0;