数字温度计的设计(28页).doc

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1、-数字温度计的设计-第 28 页实验六 数字温度计的设计一、设计目的通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计有助于复习、巩固以往的学习内容，达到灵活应用的目的。设计完成后在实验室进行自行安装、调试，从而加强学生的动手能力。在该过程中培养从事设计工作的整体概念。二、设计要求1、利用所学的知识，通过上网或到图书馆查阅资料，完成数字温度计的设计；要求写出实验原理，画出原理功能框图，描述其功能。2、需采用单片机STC15W404AS、NTC热敏电阻、共阳数码管等元器件进行设计，试确定设计方案详细工作原理，计算出参数。3、技术指标：1)温

2、度范围: 0 - +100; 误差 2 ；2)选择设计方案；3)根据设计方案分析设计原理及写出详细的硬件电路设计过程；方案概要本设计是利用NTC热敏电阻 MF52E-10K（B=3950）1%精度，作为温度传感器，其输出的信号通过STC15W404AS内部AD进行模数转换，然后STC15W404AS对该温度数据进行处理，并由一个4位一体共阳数码管显示显示温度值。实验报告要求 原理、计算等)1、 根据设计要求确定数字温度计方案，并完成电路设计，分别说明设计方案、电路工作原理：2、完成电路连接并进行数字温度计测试： 参考设计电路图1 参考电路图表1元器件清单图2 参考电路图表2元器件清单图3 数码

3、管引脚图参考程序：#define MAIN_Fosc22118400L/定义主时钟#includeSTC15Fxxxx.H/* 用户定义宏 */#defineTimer0_Reload(65536UL -(MAIN_Fosc / 1000)/Timer 0 中断频率, 1000次/秒#define DIS_DOT0x20#define DIS_BLACK16#define DIS_17#define AD_Cha2 /0-4通道/*本地常量声明*/u8 code t_display=/标准字库共阳/ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F0xc0,0xf9,0xa4,0

4、xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,/black - H J K L No P U t G Q r M y0xff,0xBF,0x76,0x1E,0x70,0x38,0x37,0x5C,0x73,0x3E,0x78,0x3d,0x67,0x50,0x37,0x6e,0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10,0x46;/0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. -1u8 code t_display=/标准字库/ 0 1 2 3

5、4 5 6 7 8 9 A B C D E F0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71,/black - H J K L No P U t G Q r M y0x00,0x40,0x76,0x1E,0x70,0x38,0x37,0x5C,0x73,0x3E,0x78,0x3d,0x67,0x50,0x37,0x6e,0xBF,0x86,0xDB,0xCF,0xE6,0xED,0xFD,0x87,0xFF,0xEF,0x46;/0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

6、 9. -1u8 code T_COM=0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F;/位码/*IO口定义*/sbitP_HC595_SER = P40;/pin 14SERdata inputsbitP_HC595_RCLK = P54;/pin 12RCLkstore (latch) clocksbitP_HC595_SRCLK = P43;/pin 11SRCLKShift data clock/*本地变量声明*/u8 LED88;/显示缓冲u8display_index;/显示位索引bitB_1ms;/1ms标志u8 offled;u16msecond

7、;/*本地函数声明*/u16get_temperature(u16 adc);u16Get_ADC10bitResult(u8 channel);/channel = 07void Delayms(u16 dlayT);void DisplayScan(void);void main(void)u8i,k;u16j;P0M1 = 0;P0M0 = 0;/设置为准双向口P1M1 = 0;P1M0 = 0;/设置为准双向口P2M1 = 0;P2M0 = 0;/设置为准双向口P3M1 = 0;P3M0 = 0;/设置为准双向口P4M1 = 0;P4M0 = 0;/设置为准双向口P5M1 = 0;P5

8、M0 = 0;/设置为准双向口P6M1 = 0;P6M0 = 0;/设置为准双向口P7M1 = 0;P7M0 = 0;/设置为准双向口display_index = 4;offled = 0;P1ASF = 0x0F;/P1.0 P1.1 P1.2 P1.3做ADCADC_CONTR = 0xE0;/90T, ADC power onCLK_DIV = CLK_DIV&0xDF; /CLK_DIV.5 ADRJ=0AUXR = 0x80;/Timer0 set as 1T, 16 bits timer auto-reload, TH0 = (u8)(Timer0_Reload / 256);T

9、L0 = (u8)(Timer0_Reload % 256);ET0 = 1;/Timer0 interrupt enableTR0 = 1;/Tiner0 runEA = 1;/打开总中断for(k=11;k0;k-)for(i=0; i= 300)/300ms到msecond = 0;j = Get_ADC10bitResult(AD_Cha);/参数07,查询方式做一次ADC, 返回值就是结果, = 1024 为错误/j = 768;if(j 1024)LED80 = j / 1000;/显示ADC值LED81 = (j % 1000) / 100;LED82 = (j % 100) /

10、 10;LED83 = j % 10;if(LED80 = 0)LED80 = 16;else/错误for(i=0; i4; i+)LED8i = 14;j = Get_ADC10bitResult(3);/参数07,查询方式做一次ADC, 返回值就是结果, = 1024 为错误j += Get_ADC10bitResult(3);j += Get_ADC10bitResult(3);j += Get_ADC10bitResult(3);if(j = 400)F0 = 0,j -= 400;/温度 = 0度elseF0 = 1,j = 400 - j;/温度 0度LED84 = j / 100

11、0;/显示温度值LED85 = (j % 1000) / 100;LED86 = (j % 100) / 10 + DIS_DOT;LED87 = j % 10;if(LED84 = 0)LED84 = DIS_BLACK;if(F0)LED84 = DIS_;/显示-else/错误for(i=0; i8; i+)LED8i = DIS_;/ 函数: u16Get_ADC10bitResult(u8 channel)/ 描述: 查询法读一次ADC结果./ 参数: channel: 选择要转换的ADC./ 返回: 10位ADC结果./ 版本: V1.0, 2012-10-22u16Get_ADC

12、10bitResult(u8 channel)/channel = 07ADC_RES = 0;ADC_RESL = 0;ADC_CONTR = (ADC_CONTR & 0xe0) | 0x08 | channel; /start the ADCNOP(4);while(ADC_CONTR & 0x10) = 0);/wait for ADC finishADC_CONTR &= 0x10;/清除ADC结束标志return(u16)ADC_RES 2) | (ADC_RESL & 3);/MF52E 10K at 25, B = 3950, ADC = 12 bitsu16 code tem

13、p_table=140,/;-400149,/;-391159,/;-382168,/;-373178,/;-364188,/;-355199,/;-346210,/;-337222,/;-328233,/;-319246,/;-3010259,/;-2911272,/;-2812286,/;-2713301,/;-2614317,/;-2515333,/;-2416349,/;-2317367,/;-2218385,/;-2119403,/;-2020423,/;-1921443,/;-1822464,/;-1723486,/;-1624509,/;-1525533,/;-1426558,/

14、;-1327583,/;-1228610,/;-1129638,/;-1030667,/;-931696,/;-832727,/;-733758,/;-634791,/;-535824,/;-436858,/;-337893,/;-238929,/;-139965,/;0401003,/;1411041,/;2421080,/;3431119,/;4441160,/;5451201,/;6461243,/;7471285,/;8481328,/;9491371,/;10501414,/;11511459,/;12521503,/;13531548,/;14541593,/;15551638,/

15、;16561684,/;17571730,/;18581775,/;19591821,/;20601867,/;21611912,/;22621958,/;23632003,/;24642048,/;25652093,/;26662137,/;27672182,/;28682225,/;29692269,/;30702312,/;31712354,/;32722397,/;33732438,/;34742479,/;35752519,/;36762559,/;37772598,/;38782637,/;39792675,/;40802712,/;41812748,/;42822784,/;43

16、832819,/;44842853,/;45852887,/;46862920,/;47872952,/;48882984,/;49893014,/;50903044,/;51913073,/;52923102,/;53933130,/;54943157,/;55953183,/;56963209,/;57973234,/;58983259,/;59993283,/;601003306,/;611013328,/;621023351,/;631033372,/;641043393,/;651053413,/;661063432,/;671073452,/;681083470,/;6910934

17、88,/;701103506,/;711113523,/;721123539,/;731133555,/;741143571,/;751153586,/;761163601,/;771173615,/;781183628,/;791193642,/;801203655,/;811213667,/;821223679,/;831233691,/;841243702,/;851253714,/;861263724,/;871273735,/;881283745,/;891293754,/;901303764,/;911313773,/;921323782,/;931333791,/;9413437

18、99,/;951353807,/;961363815,/;971373822,/;981383830,/;991393837,/;1001403844,/;1011413850,/;1021423857,/;1031433863,/;1041443869,/;1051453875,/;1061463881,/;1071473887,/;1081483892,/;1091493897,/;1101503902,/;1111513907,/;1121523912,/;1131533917,/;1141543921,/;1151553926,/;1161563930,/;1171573934,/;1

19、181583938,/;1191593942/;120160/* 计算温度 */ 计算结果: 0对应-40.0度, 400对应0度, 625对应25.0度, 最大1600对应120.0度. / 为了通用, ADC输入为12bit的ADC值./ 电路和软件算法设计: Coody#defineD_SCALE10/结果放大倍数, 放大10倍就是保留一位小数u16get_temperature(u16 adc)u16code *p;u16i;u8j,k,min,max;adc = 4096 - adc;/Rt接地p = temp_table;if(adc p160)return (0xffff);mi

20、n = 0;/-40度max = 160;/120度for(j=0; j5; j+)/对分查表k = min / 2 + max / 2;if(adc = pk)max = k;elsemin = k; if(adc = pmin)i = min * D_SCALE;else if(adc = pmax)i = max * D_SCALE;else/ min temp maxwhile(min = max)min+;if(adc = pmin)i = min * D_SCALE;break;else if(adc pmin)min-;i = pmin;/minj = (adc - i) * D

21、_SCALE / (pmin+1 - i);i = min;i *= D_SCALE;i += j;break;return i;void Delayms(u16 dlayT)u16 i,j;for(i=0;idlayT;i+)for(j=0;j1280;j+)_nop_();/* 显示扫描函数 */void DisplayScan(void)u8 i;for(i=0;i= 8)display_index = 4;/8位结束回0/* Timer0 1ms中断函数 */void timer0 (void) interrupt TIMER0_VECTORDisplayScan();/1ms扫描显示

22、一位B_1ms = 1;/1ms标志附件：1 、NTC热敏电阻原理及应用2、 STC15Fxxxx.H程序头文件3、 STC15.pdf单片机芯片资料（a 请仔细阅读 第10章STC15系列A/D转换 第863页 b 第7章 定时器/计数器 第578页4 、stc-isp-15xx-v6.80.exe程序烧写软件5、STC-ICE-VER2-chinese.DOC烧写软件使用说明书NTC热敏电阻原理及应用NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。是使用单一高纯度材料、具有 接近理论密度结构的高性能陶瓷。因此，在实现小型化的同时，还具有电阻值、 温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进

23、行高灵敏度、高精度的 检测。本公司提供各种形状、特性的小型、高可靠性产品，可满足广大客户的 应用需求。 工作原理NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写,意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓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（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范

24、围在10O1000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。专业术语零功率电阻值 RT（）RT指在规定温度 T 时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。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 ）。

25、该关系式是经验公式，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。额定零功率电阻值 R25 （）根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 时测得的电阻值 R25，这个电阻值就是 NTC 热敏电阻的标称电阻值。通常所说 NTC 热敏电阻多少阻值，亦指该值。材料常数（热敏指数） B 值（ K ）B 值被定义为：RT1 ：温度 T1 （ K ）时的零功率电阻值。 RT2 ：温度 T2 （ K ）时的零功率电阻值。 T1， T2 ：两个被指定的温度（ K ）。对于常用的 NTC 热敏电阻， B 值范围一般

26、在 2000K 6000K 之间。零功率电阻温度系数（T ）在规定温度下， NTC 热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。T ：温度 T （ K ）时的零功率电阻温度系数。 RT ：温度 T （ K ）时的零功率电阻值。 T ：温度（ T ）。 B ：材料常数。耗散系数（）在规定环境温度下， NTC 热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。： NTC 热敏电阻耗散系数，（ mW/ K ）。 P ： NTC 热敏电阻消耗的功率（ mW ）。 T ： NTC 热敏电阻消耗功率 P 时，电阻体相应的温度变化（ K ）。热时间常数()在零功率条件下

27、，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的 63.2% 时所需的时间，热时间常数与 NTC 热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。：热时间常数（ S ）。 C： NTC 热敏电阻的热容量。 ： NTC 热敏电阻的耗散系数。额定功率Pn在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。最高工作温度Tmax在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。即:T0-环境温度。测量功率Pm热敏电阻在规定的环境温度下， 阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。 一般要求阻值变

28、化大于0.1%，则这时的测量功率Pm为：电阻温度特性NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示：式中：RT：温度T时零功率电阻值。A：与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。B：B值。T：温度（k）。 更精确的表达式为：式中：RT：热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值。T：为绝对温度值，K；A、B、C、D：为特定的常数。热敏电阻的基本特性 电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性可近似地用式1表示。(式1) R=Ro exp B(I/T-I/To)R: 温度T(K)时的电阻值Ro: 温度T0(K)时的电阻值B: B 值*T(K)= t(C)+273.15但实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化

29、大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/C。因此在较大的温度范围内应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。此处，若将式1中的B值用式2所示的作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。(式2) BT=CT2+DT+E上式中，C、D、E为常数。另外，因生产条件不同造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D 不变。因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。 常数C、D、E的计算常数C、D、E可由4点的(温度、电阻值)数据 (T0, R0). (T1, R1). (T2, R2) and (T3, R3)，通过式36计算。首先由式样3根据T0和T1,T2,T3的电阻

30、值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式样。 电阻值计算例试根据电阻温度特性表，求25C时的电阻值为5(k)，B值偏差为50(K)的热敏电阻在10C30C的电阻值。 步 骤(1) 根据电阻温度特性表，求常数C、D、E。To=25+273.15 T1=10+273.15 T2=20+273.15 T3=30+273.15 (2) 代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。(3) 将数值代入R=5exp (BTI/T-I/298.15)，求R。*T : 10+273.1530+273.15 电阻温度特性图如图1所示电阻温度系数所谓电阻温度系数()，是指在任意温度下温度变化1C(K)时的零负载电阻变

31、化率。电阻温度系数()与B值的关系，可将式1微分得到。这里前的负号()，表示当温度上升时零负载电阻降低。散热系数 (JIS-C2570)散热系数()是指在热平衡状态下，热敏电阻元件通过自身发热使其温度上升1C时所需的功率。在热平衡状态下，热敏电阻的温度T1、环境温度T2及消耗功率P之间关系如下式所示。产品目录记载值为下列测定条件下的典型值。(1)25C静止空气中。(2)轴向引脚、经向引脚型在出厂状态下测定。额定功率(JIS-C2570)在额定环境温度下，可连续负载运行的功率最大值。产品目录记载值是以25C为额定环境温度、由下式计算出的值。(式) 额定功率=散热系数（最高使用温度25）最大运行功

32、率最大运行功率=t散热系数 (3.3)这是使用热敏电阻进行温度检测或温度补偿时，自身发热产生的温度上升容许值所对应功率。(JIS中未定义。)容许温度上升tC时，最大运行功率可由下式计算。应环境温度变化的热响应时间常数(JIS-C2570)指在零负载状态下，当热敏电阻的环境温度发生急剧变化时，热敏电阻元件产生最初温度与最终温度两者温度差的63.2%的温度变化所需的时间。热敏电阻的环境温度从T1变为T2时，经过时间t与热敏电阻的温度T之间存在以下关系。T=(T1-T2)exp(-t/)+T2.(3.1)(T2-T1)1-exp(-t/)+T1.(3.2)常数称热响应时间常数。上式中，若令t=时，则

33、(T-T1)/(T2-T1)=0.632。 换言之，如上面的定义所述，热敏电阻产生初始温度差63.2%的温度变化所需的时间即为热响应时间常数。经过时间与热敏电阻温度变化率的关系如下表所示。产品目录记录值为下列测定条件下的典型值。 (1)静止空气中环境温度从50C至25C变化时，热敏电阻的温度变化至34.2C所需时间。(2)轴向引脚、径向引脚型在出厂状态下测定。另外应注意，散热系数、热响应时间常数随环境温度、组装条件而变化。R-T特性B 值相同， 阻值不同的 R-T 特性曲线示意图相同阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线示意图温度测量、控制用NTC热敏电阻器外形结构环氧封装系列NTC热敏

34、电阻玻璃封装系列NTC热敏电阻应用电路原理图温度测量（惠斯登电桥电路）温度控制应用设计 电子温度计、电子万年历、电子钟温度显示、电子礼品； 冷暖设备、加热恒温电器； 汽车电子温度测控电路； 温度传感器、温度仪表； 医疗电子设备、电子盥洗设备； 手机电池及充电电器。 温度补偿用NTC热敏电阻器 产品概述 许多半导体和ICs有温度系数而且要求温度补偿，以在较大的温度范围中达到稳定性能的作用，由于NTC热敏电阻器有较高的温度系数，所以广泛应用于温度补偿。 主要参数 额定零功率电阻值R25 ()R25允许偏差（%）B值(25/50 )/（K）时间常数 30S耗散系数 6mW/ 测量功率 0.1mW额定

35、功率 0.5W使用温度范围 -55 +125 降功耗曲线： 应用原理及实例 了解热敏电阻原理，是应用好热敏电阻的前提。热敏电阻是对温度敏感的半导体元件，主要特征是随着外界环境温度的变化，其阻值会相应发生较大改变。电阻值对温度的依赖关系称为阻温特性。热敏电阻根据温度系数分为两类：正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。由于特性上的区别，应用场合互不相同。 正温度系数热敏电阻简称PTC（是Positive Temperature Coefficient 的缩写），超过一定的温度(居里温度-居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改

36、变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如La、Nb.等，可使其电阻率下降到10.cm以下，成为良好的半导体陶瓷材料。这种材料具有很大的正电阻温度系数，在居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大410个数量级，即产生所谓PTC效应。 目前大量被使用的PTC热敏电阻种类： 恒温加热用PTC热敏电阻； 低电压加热用PTC热敏电阻； 空气加热用热敏电阻； 过电流保护用PTC热敏电阻； 过热保护用PTC热敏电阻； 温度传感用PTC热敏电

37、阻； 延时启动用PTC热敏电阻； 负温度系数热敏电阻简称NTC（是Negative Temperature Coefficient 的缩写），它的阻值是随着温度的升高而下降的。主要是以锰、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。 NTC热敏电阻器温度系数-2%-6.5%， 可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。 NTC负温度系数热敏电阻主要参数： 零功率电阻值 RT（） 额定零功率电阻值 R25 （） 材料常数（热敏指数） B 值（ K ） 零功率电阻温度系数（T ） 应用设计： * 电子温度计、电子万年历、电子钟温度显示、电子礼品； * 冷暖设备、加热恒温电器；