2023年暑期電子設計大賽課題一
基於ntc熱敏電阻的溫度測量與控制系統的設計
基於ntc熱敏電阻的溫度測量與控制系統設計
學生姓名：杜恆、向奇林、劉路平指導老師：
內容摘要：
本文敘述了用微控制器作為控制器，，並可利用微控制器控制蜂鳴器發聲和八個發光二極體亮滅來實現報警，同時還可以通過微控制器控制水泥電阻給熱敏電阻加熱來實現溫度控制的溫度測量和控制系統的設計。該系統使用微控制器開發板作為控制系統，而將溫度感測器和加熱器製作在單獨一塊板子上，工作時將兩塊板子連線起來使用。由於微控制器開發板上已經有了按鍵、led數碼管、蜂鳴器以及ad等，因此可以完全滿足控制系統的需求。
微控制器可以用usb供電，而另外一塊板子可以用實驗室的直流電源作為供電系。
本文最後附帶了該系統的c51程式，可以方便其他人員閱讀以及在此基礎上進行修改，使系統功能更加完善。實驗表明該系統能夠實驗溫度的測量、溫度報警、溫度查詢、溫度的控制等功能，完全滿足該課題的基本要求和擴充套件要求。
關鍵詞：微控制器、ntc溫度感測器、水泥電阻加熱器
緒論 3
方案設計 4
理論分析 4
系統總體方案的設計及其原理概述原理圖 5
系統各個模組的方案論證與設計 6
系統溫度採集電路的設計 6
訊號調理電路的原理與設計 6
溫度控制電路的設計 8
脈寬調變的基本原理簡介 8
溫度控制電路的原理與電路的設計 8
報警電路的設計 9
報警電路的原理與電路的設計 9
控制電路的原理與設計 10
ad0804的取樣原理及與微控制器的連線方法 10
led顯示電路的原理及與微控制器的連線方法 10
簡易鍵盤的掃瞄原理及與微控制器的連線方法 11
系統軟體的設計 12
測試資料的性化處理 12
系統流程圖 12
系統效能測試與分析測試 15
測試儀器與裝置 15
測試方案與結果 15
結論 16
致謝 16
參考文獻 16
附錄 17
隨著時代的進步，溫度計在日常生產生活和工農業領域發揮越來越重要的作用，簡單的溫度計能夠滿足人們日常生產生活需要，但在一些工農業生產領域不僅要求能準確測量溫度並且要求能夠進行溫度報警和溫度的控制，因此在簡單的溫度計往往不能滿足人們的要求。利用微控制器作為控制系統的ntc溫敏電阻溫度測量和控制系統更能符合工農業生產領域的需求。該系統不能能進行溫度的測量並且將溫度通過led數碼管顯示出來使讀取更加方便，該系統還能設定溫度上下限實現聲光報警，並且該系統還能對溫度進行控制，因此在使用和功能上都比傳統的溫度計優越。
該系統可以用在需要對溫度要求比較精密的環境中，可以利用該系統的精確溫度測量、報警和溫度控制功能來保證生產過程的順利進行。
根據任務要求，要求製作乙個基於ntc熱敏電阻的溫度測量和控制系統。測量範圍為0-100攝氏度。測量精度為+—1攝氏度，能夠記錄24小時內每隔三十分鐘溫度值，並能夠用數碼管**固定時刻的溫度值，能夠顯示24小時內的溫度平均值、最大值、最小值、和最大溫差，具有報警功能當溫度超過設定閾值時能夠報警（要求有1攝氏度的回差）。
在擴充套件部分要求製作乙個溫度控制項，能夠用led顯示設定溫度值和實際測量值，設定溫度範圍為：40——60攝氏度。並要求採用適當的方法，當設定溫度或者環境溫度突變時，減小系統的調節時間和超調量，溫度控制的靜態誤差<=0.
2攝氏度。
分析任務要求，該系統要用ntc溫敏電阻作為測溫元件，ntc熱敏電阻是一種負溫度特性的熱敏電阻，其阻值隨溫度的變化曲線如下所示：
圖表 1
由圖可知，ntc的阻值隨溫度的上公升而下降，其阻值和溫度呈非線性特性，因此必須採用一定的方法對曲線進行線性化處理。其測量原理是利用通過測量其阻值，通過其溫度特性曲線便可求的環境溫度。但因為溫度不便於測量且不便於其他電路處理。
通常是將電阻的變化轉化為電壓的變化通過測量電壓變化測得溫度的變化。
由於採集到的電壓訊號是模擬訊號，不能被數字系統處理，因此必須通過ad轉換器，將模擬訊號轉換成數碼訊號。一般ad轉換器的基準電壓要求為2.5v，而採集到的電壓訊號很微弱，必需經過放大後才能送給ad轉換器，因此在系統中還必須有訊號放大的訊號調理電路。
該系統要求具有報警和控溫功能，因此必須有報警裝置和控溫元件，報警裝置可以蜂鳴器和發光二極體來實現。而控溫可以製作乙個加熱器作為控溫元件，系統要求能採用適當的方法來實現改變系統的超調量和調節時間，因此可以採用脈衝寬度調製來實現。報警裝置和控溫裝置可以通過三極體來驅動。
該系統應該有乙個控制器，用以控制溫度的顯示報警和溫度控制等功能。該控制器可以採用微控制器，fpga，或者dsp來實現。
根據以上分析可知，該系統應該包括用ntc熱敏電阻製作的溫度感測器，對感測器訊號放大的訊號調理電路，加熱器，顯示電路，報警電路，按鍵和控制器組成。由於微控制器作為控制器**便宜，控制效能好，電路方便，已能完全滿足該系統的要求，因此綜合考慮用微控制器作為該系統的控制器。
該系統通過ntc熱敏電阻製作的感測器採集溫度，將採集到的值送給微控制器處理後通過led顯示出來，並可將處理後的值與設定的溫度值進行比較看是否超過設定範圍來實現報警。在控制溫度模式下，可以通過微控制器控制加熱器來加熱，實現溫度控制。系統原理圖如下：
溫度採集電路主要由用ntc熱敏電阻製作的溫度感測器來實現，而ntc測溫原理主要是基於基於將ntc阻值隨溫度變化轉換為電壓變化來實現。將ntc熱敏電阻值變換轉換為電壓的變化有以下幾種方案。
方案一：採用恆流源給熱敏電阻供電，由於通過電阻的電流恆定，因此只要測出器兩端的電壓就可以測出其阻值。該方案電路設計簡單，測量也方便實現，但對恆流源要求較高，且抗干擾能力較差。
方案二：採用差動電橋進行測量。
圖表 2
vcc經過穩壓二極體後電壓穩定值為2.5v
由電橋平衡條件可知，當r2/r3=r4/r5時電橋平衡，此時v1和v2點的壓差為零。由於r2=r3，因此在溫度為零時，可以調節r5時r5=r4，使電橋平衡，其輸出為零。當溫度上公升時，r4阻值減小，當溫度變化一百攝氏度時，熱敏電阻的變化範圍大概為1k.
因此可以粗略的估算電橋輸出電壓的變化值為2.5*（4.7/24.7-3.7/23.7）=0.0854v.
該電路設計複雜，因為採用差動電橋，所以電路抗干擾能力增強，能有效抑制電源波動對電路的影響。
對比上面兩種方案，第二種方案雖然電路複雜但能有效抑制干擾訊號，因此採用第二種方案。
由於從電橋出來的訊號很微弱，因此需要通過運算放大器放大後才能經過ad轉換。
方案一：採用單運放組成的運算放大器進行微弱訊號的放大。其原理圖如下：
圖表 3
為了使運放對稱，因此要求r10=r7，r11=r12.放大倍數a=r12/r10.
該電路簡單，放大倍數可以通過調節r12來調節，但該調節會使運放不對稱，因此需要同時調節r12和r11來實現。
方案二：採用儀用放大器來實現放大，儀用放大器的原理圖如下。
訊號調理電路 1
儀用放大器的放大倍數可以由以下公式計算得知：
a=-r11/r7(1+2*r8/r6)
由於r6可調，因此可以利用調節放大倍數。由於訊號採集電路採集到的最大電壓差為0.0854v.
而ad的基準電壓為2.5v，所以要求訊號調理電路的最大輸出為2.5v。
而訊號採集電路的最大輸出為0.0845v,所以要求訊號調理電路的放大倍數約為30倍。該電路由於可以調節r6來調節放大倍數，由於調節r6不會影響電路的對稱性因此調節起來方便。
對比上述兩種電路，第一種結構簡單但調節起來不方便，而第二種調節起來方便，且易於小訊號的採集，因此選用第二種方案。
在脈寬調變有兩種方案，第一種是固定低電平時間，而另外一種是固定週期。先對固定週期的脈寬調變原理做如下簡介。
在固定週期的脈寬調變中，設乙個週期的時間為一秒，將乙個週期平分成一百份。每乙份為10個毫秒，在乙個週期內的份數由乙個變數p控制，而每乙份的時間用乙個定時器來控制，當每次中斷來時p加1，當p到一百十把p賦值成0，開始下乙個週期。而在溫度控制程式中，另外設定乙個變數m,每次m也加一，m到一百十也賦值為零，並且每次m和p進行比較，當m 要實現溫度突變時改變超調量，可以將溫度和設定的溫度進行比較，當溫度差值大於某個範圍時，可以改變p的初值，這樣就可以進行迅速加熱，達到快熟調節溫度。當溫度和設定值接近時可以將p的值減小，從而緩慢加熱。 ntc是negative temperature coefficient 的縮寫，意思是負的溫度係數，泛指負溫度係數很大的半導體材料或元器件，所謂ntc熱敏電阻器就是負溫度係數熱敏電阻器。它是以錳 鈷 鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，採用陶瓷工藝製造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導... ntc是negative temperature coefficient 的縮寫，意思是負的溫度係數，泛指負溫度係數很大的半導體材料或元器件，所謂ntc熱敏電阻器就是負溫度係數熱敏電阻器。它是以錳 鈷 鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，採用陶瓷工藝製造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導... ntcntc是negative temperature coefficient 的縮寫，意思是負的溫度係數，泛指負溫度係數很大的半導體材料或元器件，所謂ntc熱敏電阻器就是負溫度係數熱敏電阻器。它是以錳 鈷 鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，採用陶瓷工藝製造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因...NTC負溫度係數熱敏電阻工作原理
NTC負溫度係數熱敏電阻工作原理
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