薛秋實

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的熱敏電阻數(shù)字溫度計設計

薛秋實

遼寧錦州渤海大學工學院

在人們的生活中，溫度是一個經常測量的變量，與人們的生活息息相關。傳統(tǒng)意義上的溫度計的缺點是溫度讀取不靈敏，精確度差，并且讀取的溫度存在很大的誤差等。在很多的重要領域中，對溫度精確度有很大方面的要求。所以本文采用模塊化的思想設計了基于單片機的熱敏電阻數(shù)字溫度計，具有溫度讀取精確度高，高性能，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，集合軟件硬件設計，電路設計簡潔。

熱敏電阻 數(shù)字溫度計 單片機

隨著工業(yè)化以及信息技術的飛速發(fā)展，很多的工業(yè)生產領域中都紛紛用到了溫度傳感器技術。人們的日常生活離不開溫度，溫度測量具有重大的現(xiàn)實意義以及研究意義。

1 熱敏電阻原理概述

作為溫度傳感器中的一種，熱敏電阻的組成部分包括了仿陶瓷半導體。相比于普通的電阻，熱敏電阻的特性包括了負的電阻溫度，也就是意味著當溫度升高的時候，熱敏電阻的值就會相應地降低。熱敏電阻的溫度特性關系如圖1所示。

圖1 熱敏電阻溫度特性

從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，熱敏電阻溫度特性所表示的是電阻值與溫度之間的關系圖，這兩者之間具有比較大的非線性，所以當運用的時候需要實現(xiàn)線性化轉換。通過線性化處理可以將熱敏電阻的非線性進行改進，然而實現(xiàn)起來卻比較繁瑣。所以，在具體的應用中，通常會選擇適宜的線性關系，從而進行計算的簡化處理。熱敏電阻能夠用來感知溫度，并且提供恒定的電流給熱敏電阻，測出熱敏電阻兩端的電壓值。最后按照熱敏電阻與溫度的公式T=T0-KVT進行計算。公式中的T代表的是被測溫度，T0代表的是溫度參數(shù)，K代表的是熱敏電阻特性的系數(shù)。而VT就是需要測量的電壓值。

按照這個公式，假如能夠將熱敏電阻兩端的電壓值求解出來，然后得到T0以及K的值，那么就能夠把被測溫度，也就是熱敏電阻的環(huán)境溫度求解出來。從而最終把將溫度與電阻之間的關系向溫度和電壓之間的關系進行轉換。對于數(shù)字電阻溫度計而言，設計的最重要的任務是將熱敏電阻所在的電壓值通過數(shù)字模擬信號轉換后形成數(shù)字信號，最終把生成的信號發(fā)送到單片機里面，最后采用軟件的方法把溫度值求解出。進一步顯示并且打印處理。

2 設計方案

熱敏電阻是一個很敏感的器件，在溫度測量以及遙控技術和無線電方面都有廣泛的應用，熱敏電阻可以把對環(huán)境溫度的改變向電阻值的改變進行轉換，這是一個溫度變化向連續(xù)電信號變化的過程，接著通過外電路將形成的電信號進行轉化。從而最終形成單片機所能夠處理的脈沖信號。由熱敏電阻形成的振蕩電路可以進行電阻轉換頻率的操作。從而形成溫度與電阻值和頻率三者之間的相應聯(lián)系。溫度精確度的測量與處理器處理頻率信號有一定的聯(lián)系。如果需要保證測量的溫度精確，那么就需要選擇精確的方案。

3 系統(tǒng)設計

熱敏電阻溫度計的核心是單片機，該溫度計主要是對溫度進行檢測與測量。本文系統(tǒng)是由幾個模塊組成的，每一個模塊都是由單片機進行控制的，系統(tǒng)的總結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總結構圖

系統(tǒng)中鍵盤輸入模塊是根據用戶所按下的按鍵，從而通知微處理器調用相應的操作。在系統(tǒng)的硬件設計電路中，需要將系統(tǒng)模塊進行分割，然后依次對這幾個子模塊進行設計，從而最終通過單片機控制該子模塊。系統(tǒng)的總電路圖如圖3所示。

圖3 總體電路圖

溫度信號的采集電路中將電阻R2、R3以及PT100形成惠斯登橋式電路，通過電橋將差分信號獲取，然后再將放大的信號發(fā)送到型號為ADS7816的模數(shù)處理器中。在該電橋電路橋臂中設置了可調電阻，該電阻能夠將運算放大器中的電壓信號進行零點調節(jié)處理。將可調電阻安置在放大器兩端，從而可以實現(xiàn)電壓放大。溫度的變化值是0至100度間。如果溫度發(fā)生改變，那么也會影響著PTIO0的電阻值的改變，最終放大輸入放大電路的差分信號，放大電路中的電壓輸出值也會發(fā)生變化。

3.1 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計模塊中具體所涵蓋的模塊有主程序，鍵盤掃描程序、溫度讀取程序等。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.1.1 鍵盤輸入模塊

鍵盤輸入模塊需要實現(xiàn)的是通過單片機設置參數(shù)，作為按鍵組合中的一種，信息的輸入都是通過鍵盤進行輸入的，一般情況下的按鍵都會有相應的I/O端口對應，當鍵盤沒有任何的操作時候，該I/O端口就是處于特定的狀態(tài)。如果閉合鍵被按下的時候，電平就會發(fā)生相應的改變。同時其它的位電平不變發(fā)生改變。當單片機讀取到特殊電平的時候，就能夠得出按下的是哪種按鍵。

3.1.2 溫度讀取程序

當溫度讀取后，溫度的小數(shù)保存在LOW低四位中，溫度的精確度能夠保存到0.0324℃，溫度的整數(shù)是保存在High的低四位以及Low高四位，當High中高四位都是用1表示的時候，則說明是負數(shù)，如果高四位都是0，那么說明是正數(shù)。因此提取出數(shù)據以后，溫度能夠分為小叔部分、符號部分以及整數(shù)部分三部分。溫度的小數(shù)部分還精確處理，當小數(shù)是超過了0.5℃時候，個位就會向前進1，如果溫度的小數(shù)部分是低于0.5℃，那么就把該小數(shù)忽略掉。如果溫度是負數(shù)時，就會實現(xiàn)數(shù)據的轉換操作，溫度的整數(shù)部分會實行先取反位，再進行加1處理。另外由于本文選擇的單片機所能承受的溫度最低值是0下55℃，因此能夠把整數(shù)部分中的最高位用“-”表示，代表負數(shù)。溫度讀取程序如圖5所示。

圖5 溫度讀取流程圖

3.1.3 溫度計算程序

使用熱敏電阻可以得到溫度與電阻之間的關系，一般情況下當溫度在一定范圍以外的時候，數(shù)碼管中就會用標志“F”顯示。溫度程序代碼為：

結語：隨著當今科技的飛速發(fā)展，集成電路也日益成熟，相對于傳統(tǒng)意義上的溫度計，本文設計的熱敏電阻溫度計中闡述了熱敏電阻器的相關知識，同時還介紹了硬件電路以及軟件電路的設計。在現(xiàn)代的很多工業(yè)生產中，很多的物理以及化學反應的過程中都會涉及到溫度這個控制量。如果在工業(yè)生產中沒有很好地把握溫度變量，那么就很容易造成重大的工業(yè)安全，以及產品質量問題，所以測量溫度在工業(yè)生產中起到了很大的作用。

[1]林上金,胡澄,李延標,等.熱敏電阻數(shù)字溫度計設計制作實驗的線性化方案探究[J].大學物理實驗,2011,24(1):23-25

[2]John C. Roberts,James W. Cook,Pradeep Rajagopal,Edwin L. Piner,Kevin J. Linthicum. AlGaN Transition Layers on Si (111) Substrates - Observations of Microstructure and Impact on Material Quality[J]. MRS Proceedings,2008

[3]Armstrong Donkoh,Victoria Attoh-Kotoku,Reginald Osei Kwame,Richard Gascar,Rouf M. Mian. Evaluation of Nutritional Quality of Dried Cashew Nut Testa Using Laboratory Rat as a Model for Pigs[J]. The Scientific World Journal,2012

[4]石明吉,喬宇峰,張丹,等.基于非平衡電橋的熱敏電阻數(shù)字溫度計設計[J].南陽理工學院學報,2014,6(6):1-4