基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统设计.docx
《基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统设计.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统设计
题目名称：
基于NTC热敏电阻的温度测量与控制系统设计
摘要：
本系统由TL431精密基准电压，NTC热敏电阻（MF-55）的温度采集，A/D和D/A转换，单片机STC89C51为核心的最小控制系统，LCD1602的显示电路等构成。
温度值的线性转换通过软件的插值方法实现。
该系统能够测量范围为0~100℃，测量精度±1℃,并且能够记录24小时内每间隔30分钟温度值，并能够回调选定时刻的温度值，能计算并实时显示24小时内的平均温度、温度最大值、最小值、最大温差，且有越限报警功能。
由于采用两个水泥电阻作为控温元件，更有效的增加了温度控制功能。
关键词：
NTCTL431温度线性转换
Abstract:
ThesystemiscomposedofTL431asprecisevoltage,thetemperatureacauisitioncircuitwithNTCthermistors（MF-55）,thetransformcircuitofA/DandD/A,thecoreoftheminimumcontrolsystemwithSTC89C51,1thedisplaycircuitusingLCD1602,etc.Getthetemperatureofthelineartransformationbythesoftwaremethod.Therangeofthemeasuresystemis0~100℃,measurementaccuracy+1℃.Itcanrecord24hoursofeachintervaltemperaturebyper30minutesselectedoftemperature.Thetimecanbecalculatedandreal-timedisplaywithin24hoursoftheaveragetemperature,maximumtemperatureandminimumtemperature,maximumvalue,andeachtemperaturesensorhasmoreallthewaylimitalarmfunction.Duetothetwocementresistanceastemperaturecontrolcomponents,themoreeffectiveincreasethetemperaturecontrolfunction.
Keyword:
NTCTL431temperaturelinearconversion
目录
1方案设计与论证3
1.1整体设计方案比较和选择3
2系统设计5
2.1总体设计5
2.2各单元模块功能介绍及电路设计5
2.2.1学习板电路5
2.2.2测温通道电路7
2.2.3模数转换电路8
2.3特殊器件的介绍8
3软件设计9
3.1软件流程图9
3.2线性转换处理--线性插值10
4系统测试11
4.1测试方法11
4.2测试结果12
4.3结果分析14
5结论14
参考文献14
附录：
15
附1：
元器件明细表15
附2：
仪器设备清单15
附3：
电路图图纸16
附4：
程序清单17
1方案设计与论证
1.1整体设计方案比较和选择
当某路传感器温度超越设定的温度上下阀值时，即产生相应的声光报警信号并显示该传感器的温度值，直至温度回到门限内（要求具有1℃的回差）或通过控制键解除警报。
后向通道通过水泥电阻作为控温元件，增加温度控制功能。
最后将输出的数字信号经过D/A转换，变换为温度，最终经过LCD1602进行显示。
该方案硬件电路简单，电路其输出精度不高图1方案1系统设计框图
图2方案2系统设计框图
三运放的放大增益计算公式：
由于：
=
=30K;
=20K;
=
=1K
所以：
最大可以放大约60倍。
电桥中
和
的取值决定了输出电压的精确度，经过多次测量，所以该处取值都为20K。
图3方案3系统设计框图
方案选定：
方案3方案论证：
综上所述能够满足系统设计的要求，所以选择方案3
2系统设计
2.1总体设计
经过TL431精密稳压源输出2.5V电压给一个桥式电阻电路，由于NTC热敏电阻的特性，所以随着温度的变化，电阻值减少了，后面在接一个三运放电路将电压放大到所需要的电压值。
输出的电压值经过8位A/D转换器ADC0804转换后，将数字信号经由单片机STC89C51进行处理，然后将这些值送由LCD1602进行显示（如图4所示）。
图4系统总体方案
2.2各单元模块功能介绍及电路设计
2.2.1学习板电路
学习板系统总体设计电路图（如图5所示）。
图5学习板系统总体设计图
学习板上独立按键和矩阵按键的电路图（如图6所示）。
图6键盘电路
STC89C51单片机电路图（如图7所示）。
图7单片机电路
2.2.2测温通道电路
下图为前向通道的电源部分。
中间有D1和D2两个发光二极管，用来指示电源是否正常供电，此外还加了两个大小电容的并联电路，起滤波作用（如图8所示）。
图8前向通道电源电路
控温电路，采用两个水泥电阻，更有效的对NTC热敏电阻进行控温操作（如图9所示）。
图9控温电路
2.2.3报警电路
蜂鸣器电路，当温度超过限度是起报警作用（图10报警电路）。
图10报警电路
2.2.3模数转换电路
前向通道中，当温度值转换为电压后，还需要将电压值进行A/D转换，转换后的值才能送到单片机进行处理。
后向通道中进行温度显示前应该先经过D/A转换（如图11模数转换电路）。
图11AD以及DA转换原理图
2.3特殊器件的介绍
热敏电阻器是一种随（感应）温度的变化其电阻值呈显著变化的热敏感半导体元件。
温度升高时阻值下降的热敏电阻器，称为负温度系数热敏电阻器（NTC）。
3软件设计
3.1软件流程图
该程序基于小系统板,小系统板上有显示、ADC转换、键盘等电路。
学习系统板上主控单片机为STC89C51，所以采用c51编程方便简单，软件流程图如下：
图8主程序流程图
3.2线性转换处理--线性插值
在ADC进行数据采集的过程中不可能每一个数值都在整温度所对应的ADC数值上，所以如果在两个数据的中间一段就要对其进行进一步的精确定位。
这样就必须知道采集到的数据在表1－2中的具体位置，因此要对数据表进行搜索、查找。
线性表的查找（也称检索），可以有比较常见的顺序查找、折半查找及分块查找等方法，分析线性表1－2可以得到折半查找的算法是比较高效的。
这样的插值计算实际上是分段的，用直线段来拟和温度曲线，因此在处理的过程中分段越细致拟和的曲线就越接近实际温度曲线。
表1插值表
温度传感器在0℃到100℃输出0V—2.5V，温度起点为0℃，满量程为100℃。
学习系统板子上有8位的A/D转换器对应输出的数字量为00000000B—11111111B（0-2.5V），应用以下变换公式进行变换：
AX=A0+（AM-A0）（NX-N0）/（NM-N0）
式中，A0为一次测量仪表的下限。
AM为一次测量仪表的上限。
AX实际测量值。
N0仪表下限对应的数字量。
NM仪表上限对应的数字量。
NX测量值对应的数字量。
温度非线性转换程序模块采用折线拟合法进行线性化处理
4系统测试
4.1测试方法
步骤1：
先安上元件后，测试电路是否正确连通，待没有任何问题后将集成芯片安上。
以此可以防止集成芯片由于电压过大而烧坏。
步骤2：
将NTC热敏电阻放入冰水混合物中（0，进行调零操作。
此时电压输出为0V。
步骤3：
将NTC热敏电阻放入沸水杯子中，进行调满操作。
此时的电压输出为最大，即为2.5V。
步骤4：
记录不同温度时刻对应的温度转换值和实际温度值，进行NTC温度特性曲线的绘制。
4.2测试结果
对于电桥温度的取值会影响后面测试温度的精度，所以在电桥平衡电阻（R1,R2）分别在200K和6.8K和20K时，对温度进行了测量。
具体情况如下图表格和图所示：
、
表2第一次温度曲线实际测量数据
表3第二次温度曲线实际测量数据
表3最终温度测量数据
4.3结果分析
又图上特性曲线可以看出，温度变化从0度开始到100°时，变化规律为先慢接着较快后很慢；
5结论
由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。
基于学习板小系统进行软件调试很容易。
在采集温度部分有调零和满刻度调整电路，在三运放的放大部分有滑动变阻器，可以很容易改变增益。
在实现温度转换时，利用插值法，在提高测量精度是变得更容易。
此外，在后面的控温部分可以采用TEC半导体制冷片。
因为采用三极管放大电路必须考虑三极管所允许的最大允许电流，否则会造成三极管烧坏。
参考文献
[1]陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.
[2]高吉祥主编.高频电子线路.北京：
电子工业出版社，2003
[3]易波.通信原理.长沙：
国防科技大学出版社出版，1998
[4]何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：
北京航空航天大学，1990.
[5]李晓荃.单片机原理与应用[M].北京:
电子工业出版社，2000.
[6]樊昌信.通信原理（第五版）[M].北京：
国防工业出版社,2001.
[7]全国大学生电子设计设计竞赛组委员会.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京电子工业出版社，2005.
[8]俞俊民.自制恒流源[J].沈阳电力高等专科学校学报，1997.
[9]朱传奇.简易使用的直流电流源[J].山东电力技术，1999.
[10]马云峰.单片机控制的直流电流源设计[J].潍坊高等专科学校学报，1999.
[11]Richardc.Dorf.modernconctrolsysterm[M].BEIJING:
SciencePublishingHouse，2002.
[12]DonaldA.Neamen.Electroniccircuitanalysisanddesign[M].TsinghuaUniversityPressandSpringerVerlag.2002.
附录：
附1：
元器件明细表
1.基准稳压集成芯片TL431
2.ADC0804
3.DAC0832
4.单片机STC89C51
5.三极管8050
6.液晶LCD1602
附2：
仪器设备清单
1、数字信号发生器
2、数字万用表
3、模拟示波器
4、稳压电源
附3：
电路图图纸
前后向通道电路图
学习板小系统原理图
前后向通道PCB图
附4：
程序清单
******************************************
***课题：
ＮＴＣ测温***
***创建时间：
２０１１年６月１１日***
******************************************
/********************************************************************
主函数部分
********************************************************************/
voidmain（）
{
ucharb=0,c,d;
floate;
init（）;//液晶初始化
xianshi（7,mima1,0x80）;//显示密码字样
do{
du_key1（）;//扫描键盘
du_key2（）;
if（adjust1==4&adjust4==3）
{
b=1;
adjust1=0;
adjust4=0;
}
}
while（b==0）;
Timer_start（）;
xianshi（16,deng1,0x80）;//显示“pleasewait……”字样
while（remember<=50）;
init（）;
xianshi（6,wendu1,0x80）;
while
（1）
{
du_key1（）;
du_key2（）;
chunshu（）;
lvbo（）;
if（adjust1==1）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（8,look_shi,0x80）;
}
write_command（0x80+9）;
write_date（shu[adjust2]）;
}
elseif（adjust1==2）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（7,look_ge,0x80）;
}
c=adjust3/10;
d=adjust3%10;
write_command（0x80+8）;
write_date（shu[c]）;
write_command（0x80+9）;
write_date（shu[d]）;
}
elseif（adjust1==3）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（9,look,0xc0）;
}
Look_for（）;
deep_chuli（wendu）;
write_command（0xc0+10）;
write_date（AD_buffer[0]）;
write_command（0xc0+11）;
write_date（AD_buffer[1]）;
write_command（0xc0+12）;
write_date（'.'）;
write_command（0xc0+13）;
write_date（AD_buffer[2]）;
}
elseif（adjust1==4）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（9,day_aver,0xc0）;
}
day_average（）;
deep_chuli（wendu）;
write_command（0xc0+10）;
write_date（AD_buffer[0]）;
write_command（0xc0+11）;
write_date（AD_buffer[1]）;
write_command（0xc0+12）;
write_date（'.'）;
write_command（0xc0+13）;
write_date（AD_buffer[2]）;
}
elseif（adjust1==5）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（5,pwm_1,0xc0）;
}
write_command（0xc0+5）;
write_date（shu[tiao/10]）;
write_command（0xc0+6）;
write_date（shu[tiao%10]）;
}
elseif（adjust1==6）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（5,pwm_2,0xc0）;
}
write_command（0xc0+5）;
write_date（shu[tiao/10]）;
write_command（0xc0+6）;
write_date（shu[tiao%10]）;
}
elseif（adjust1==7）
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
init（）;
xianshi（7,cha,0xc0）;
}
e=max-min2;
deep_chuli（e）;
write_command（0xc0+8）;
write_date（AD_buffer[0]）;
write_command（0xc0+9）;
write_date（AD_buffer[1]）;
write_command（0xc0+10）;
write_date（'.'）;
write_command（0xc0+11）;
write_date（AD_buffer[2]）;
}
else
{
flag=flag+1;
if（flag==1）
{
xianshi（6,wendu1,0x80）;
xianshi（4,max1,0xc0）;
xianshi（4,min1,0xc0+8）;
}
line_processer（15,average）;
if（flag1==1）
{
min2=wendu;
max=wendu;
flag1=0;
}
if（wendu>max）
{
max=wendu;
}
elseif（wendu{
min2=wendu;
}
deep_chuli（wendu）;
baojin（）;
write_command（0x80+6）;
write_date（AD_buffer[0]）;
write_command（0x80+7）;
write_date（AD_buffer[1]）;
write_command（0x80+8）;
write_date（'.'）;
write_command（0x80+9）;
write_date（AD_buffer[2]）;
deep_chuli（max）;
write_command（0xc0+4）;
write_date（AD_buffer[0]）;
write_command（0xc0+5）;
write_date（AD_buffer[1]）;
write_command（0xc0+6）;
write_date（'.'）;
write_command（0xc0+7）;
write_date（AD_buffer[2]）;
deep_chuli（min2）;
write_command（0xc0+12）;
write_date（AD_buffer[0]）;
write_command（0xc0+13）;
write_date（AD_buffer[1]）;
write_command（0xc0+14）;
write_date（'.'）;
write_command（0xc0+15）;
write_date（AD_buffer[2]）;
}
}
}
/*******************************************************************
子程序部分
********************************************************************/
/*******************************
ＡＤ采集
*******************************/
voidAD_caiji（ucharx）
{
csad=0;
WR1=0;//启动ａｄ
_nop_（）;
WR1=1;
delay1（）;
AD_data=0xff;
RD1=0;
AD_buffer[x]=AD_data;
RD1=1;
WR1=0;
}
voidchunshu（）//数据存储
{
uchari;
for（i=0;i<16;i++）
{
AD_caiji（i）;
}
}
/********************************************
滤波模块
数据滤波去掉最大，最小值后求均值
**********************************************/
voidlvbo（）
{
ucharx,y;
uintbuff;
for（x=15;x>0;x--）
{
for（y=x;y>0;y--）
{
if（AD_buffer[y]>AD_buffer[y-1]）//大小排序（从大到小）
{
buff=AD_buffer[y-1];
AD_buffer[y-1]=AD_buffer[y];
AD_buffer[y]=buff;
}
}
buff=AD_buffer[0];
AD_buffer[0]=AD_buffer[x];
AD_buffer[x]=buff;
}
buff=0;
for（x=14;x>0;x--）
{
buff=buff+AD_buffer[x];
}
average=buff/14;
}
/**************************************
键盘查询
*************************************/
voiddelay1（）
{
ucharg,h;
for（g=100;g>0;g--）
for（h=100;h>0;h--）;
}
voiddu_key1（）
{
key1=1;
if（key1==0）
{
delay1（）;
if（key1==0）
{
flag=0;
adjust1=adjust1+1;
if（adjust1==8）
{
adjust1=0;
}
}
while（key1==0）;
}
}
voiddu_key2（）
{
key2=1;
if（key2==0）
{
delay1（）;
if（key2==0）
{
if（adjust1==1）
{
adjust2=adjust2+1;
if（adjust2==5）//十位
{
adjust2=0;
}
}
elseif（adjust1==2）
{
adjust3=adjust3+1;//个位
if
升级会员 