基于STC15F系列單片機的微型測溫電路的設(shè)計

許艷光，胡 輝，許麗華

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基于STC15F系列單片機的微型測溫電路的設(shè)計

許艷光1，胡 輝1，許麗華2

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊 065000；2.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邢臺 054035）

本設(shè)計提出以8位STC單片機為核心，通過普通I/O端口以合適的充電與放電順序為RC電路充放電，實現(xiàn)溫度測量，簡化了硬件電路的設(shè)計，降低了對主控芯片集成性能的要求，具有溫度測量節(jié)點的可擴展性。本次設(shè)計所用硬件電路較小，傳輸距離遠(yuǎn)實現(xiàn)了可模塊化性能。解決了當(dāng)前溫度測量方法的軟硬件復(fù)雜程度和成本高的問題。

單片機；溫度測量；模塊化

隨著社會的進(jìn)步，智能控制技術(shù)的普及，測溫技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。信息技術(shù)的發(fā)展，推動了高端處理器的發(fā)展，各個芯片廠家陸續(xù)推出系列型號的處理器，不乏內(nèi)部帶有A/D處理功能。然而這些帶A/D功能的處理器往往較高。在一個設(shè)計中，如果需要多個溫度傳感器對不同節(jié)點進(jìn)行溫度測量時，再選擇A/D方式，顯然無法滿足測溫要求。

本文提出了一種采用RC充放電原理實現(xiàn)測溫的新型測溫電路在STC15F系列單片機上的應(yīng)用，以STC15F101W單片機為核心處理器，通過單片機普通I/O端口為RC回路充放電，并記錄RC電路放電時間，由此實現(xiàn)電阻阻值的獲取，然后采用查表的方法將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)化為溫度值。

一、系統(tǒng)硬件原理分析

1.新型測溫電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)多溫度采集，設(shè)計中根據(jù)RC充電與放電需要一段時間的原理，提出一種新型測溫電路方案在STC單片機的應(yīng)用。采用低成本熱敏電阻作為測溫元件，處理器采用廉價的STC15F101W單片機，芯片僅有8個引腳。STC15F系列單片機是新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，不需外部晶振，內(nèi)部集成高度R/C時鐘，不需外部復(fù)位內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路。其設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.系統(tǒng)整體電路硬件設(shè)計原理

圖2所示為RC充放電電路測溫電路原理圖，其中，R40要求為1%精密電阻，其阻值與待測量的溫度傳感器最大阻值相近，用于獲得放電時間T1；端子為熱敏電阻接口，用于獲得放電時間T2；R41阻值為47Ω到1K均可，起保護(hù)作用；電容C21的要求不高，無極性的貼片電容或鉭電容均可，容值在0.01uF到1uF之間。將采集到的溫度值，通過串口轉(zhuǎn)換為485模式進(jìn)行傳輸，具有傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點。該電路所需元件較小，可以做成小模塊。

圖2 RC充放電電路測溫電路原理圖

3.系統(tǒng)硬件

根據(jù)原理圖和功能的需求，所設(shè)計的PCB最終結(jié)果如圖3所示：

圖3 RC充放電電路測溫電路PCB圖

二、RC充放電方式測溫的軟件實現(xiàn)

本次系統(tǒng)設(shè)計，首先溫度測量端始終為懸浮輸入，一次完整的測溫程序大致可以分為4個步驟完成。

（1）為回路充電，先置溫度探頭和溫度參考端為輸出高電平，用溫度測量端檢測，直到判斷為高電平，充電完成。

（2）通過參考電阻放電獲得放電時間T1，先將T1置為0，此時將溫度探頭設(shè)置為高阻態(tài)，參考電阻端設(shè)置為輸出低電平，用溫度測量端檢測，開始計數(shù)，直到判斷為低電平，此時停止計數(shù)獲得T1計數(shù)值。為防止因為電路異常導(dǎo)致程序死鎖，在計數(shù)過程中設(shè)定一個計數(shù)上限，當(dāng)T1值大于上限值時可認(rèn)為電路故障，此時返回錯誤代碼。

（3）再次為回路充電，先置溫度探頭和溫度參考端為輸出高電平，用溫度測量端檢測，直到判斷為高電平，充電完成。

（4）通過溫度探頭放電獲得放電時間T2，先將T2置為0，此時將參考電阻設(shè)置為高阻態(tài)，溫度探頭端設(shè)置為輸出低電平，用溫度測量端檢測，開始計數(shù)，直到判斷為低電平，此時停止計數(shù)獲得T2計數(shù)值。為防止因為電路異常導(dǎo)致程序死鎖，在計數(shù)過程中設(shè)定一個計數(shù)上限，當(dāng)T2值大于上限值時可認(rèn)為電路故障，此時返回錯誤代碼。

至此，一個完整的RC充放電測量軟件處理過程完成，最后通過RC充放電公式計算出熱敏電阻當(dāng)前的阻值，如下所示。

由RC電路的零輸入相應(yīng)方程：

得：

由式（2）可知，由于通過R1和R2的放電是對同一個電容放電。所以有：

根據(jù)當(dāng)前所求的阻值，由查表可以得到當(dāng)前的溫度值。

三、總結(jié)

本次設(shè)計所實現(xiàn)的功能，對以往測溫方案有所改進(jìn)，僅僅使用熱敏電阻和電容便可實現(xiàn)溫度測量，簡化了硬件電路設(shè)計，降低了設(shè)計成本與復(fù)雜度，簡單實用，所設(shè)計的模塊較小，接線方便，可用于要求測溫節(jié)點較多的場合。設(shè)計出電路板體積較小，能夠?qū)崿F(xiàn)測溫并傳輸?shù)墓δ埽杉尚暂^高。本設(shè)計中，電容值的大小只會影響充放電時間，其計算公式不會受影響，因此也不會影響溫度測量。

[1]蔡元宇.電路及磁路[M].北京：高等教育出版社，2006：372-376.

[2]張洪潤張亞凡.傳感器技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]馮榮達(dá)，曹柏榮.基于熱敏電阻的多點溫度測量系統(tǒng)[J].微計算機信息，2008（11）.

[4]南通國芯微電子有限公司.STC15F101W系列單片機器件手冊[Z].2013.

（責(zé)任編輯王傲冰）

The Design of Micro Circuit Temperature Measurement Based on STC15F Series MCU

XU Yan-guang1，HU Hui1，XU Li-hua2

(1 North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang, Hebei 065000, China)(2 Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035,China)

This design is put forward based on using 8 bits STC microcontroller as the core, according to the appropriate order of charging and discharging for RC circuit with the common I/O port, achieved the temperature measurement, simplify the hardware circuit design, reduces the cost of the integrated performance of the main control chip requirements, possess temperature measurement node scalability. The hardware circuit is smaller in this design, with the long distance transmission, realizes the modularization properties. It has solved the current problems of complexity of software and hardware and the high cost of temperature measurement method.

singlechip; temperature measurement; modularization

TP274

A

1008—6129（2015）01—0093—03

2014—12—15

許艷光（1987—），河北內(nèi)丘人，北華航天工業(yè)學(xué)院2013級研究生。