基于 51 单片机设计的热敏电阻测温系统

作者：DS小龙哥

2024-08-07
重庆
本文字数：3460 字
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一、项目介绍

当前文章介绍基于 51 单片机的热敏电阻测温系统的设计过程，用于实时监测环境温度，并在温度超过预设阈值时进行报警。由于采用的是热敏电阻测温技术，无需外置温度传感器，使得系统具有结构简单、成本较低等优点。

主控芯片采用 STC89C52，具有良好的稳定性和可靠性，适应于工业控制等领域的应用需要。ADC 采集模块采用 PCF8591 模块，可方便地实现对热敏电阻温度数据的转换和采集，提高了系统的准确度和实用性。

系统通过 4 位数码管显示出温度值，同时通过按键设置温度上限阀值，当温度超过阀值时，会通过蜂鸣器报警，提醒用户注意环境温度的变化情况。

在项目中主要是用到了热敏电阻和 PCF8591 模块。

（1）热敏电阻介绍

热敏电阻（Thermistor）是一种基于材料的电阻元件，其电阻值随温度的变化而发生相应的变化。通常情况下，热敏电阻的电阻值随温度升高而降低，反之则随温度降低而升高，这种特性被称为负温度系数（NTC）或正温度系数（PTC）。

热敏电阻的工作原理是基于材料的温度敏感性质。在热敏电阻中，存在许多导电粒子，当温度升高时，导电粒子与材料中的离子激发程度增强，导致导电粒子的数量变多，因此电阻值降低；反之，当温度降低时，导电粒子的数量变少，电阻值增加。

（2）PCF8591

PCF8591 是一款 4 通道、8 位模数转换器（ADC）和 1 通道、8 位数模转换器（DAC）的集成电路芯片。可以通过 I2C 总线与微控制器进行通信，实现模拟信号的输入和输出。

PCF8591 的输入电压范围为 0V~VCC（通常为 5V），可以通过外部电阻进行放大或缩小。它还有一个内部参考电压源，可以通过软件控制选择使用。

PCF8591 的输出电压范围也是 0V~VCC，可以用于控制模拟信号的输出，比如控制电机的转速、LED 的亮度等。

在热敏电阻测温系统中，使用 PCF8591 模块来采集热敏电阻的电压信号，并将其转换为数字信号，进而计算出温度值。

二、设计思路

2.1 系统结构

系统采用单片机作为主控芯片，热敏电阻用于测量环境温度，PCF8591 模块采集热敏电阻的温度数据并将其转换为正常温度值，通过数码管进行显示。同时，系统设置上限阀值，当温度超过该值时，系统会通过蜂鸣器报警。

2.2 硬件设计

（1）主控芯片

本系统采用 STC89C52 单片机作为主控芯片，具有强大的计算能力、稳定的性能和较低的功耗，支持多种外设接口，适合于工业控制等领域的应用需求。

（2）温度传感器

本系统采用热敏电阻作为温度传感器，其结构简单、价格便宜，且无需额外的电源供应，可直接通过 PC8591 模块的输入端口进行检测。

（3）ADC 采集模块

系统采用 PCF8591 模块进行 ADC 采集，具有 4 路模拟输入通道和一个模拟输出通道，采样精度高达 8 位，能够满足本系统对温度信号的准确采集需求。

（4）数码管显示模块

系统采用 4 位共阳数码管进行数据显示，其显示范围为-999~+9999，可满足本系统对温度数据的实时显示需求。

（5）蜂鸣器报警模块

系统采用蜂鸣器进行报警提示，当温度超过预设阈值时，蜂鸣器会发出持续声响，提醒用户注意环境温度的变化情况。

（6）按键模块

按键模块，方便用户进行阀值的设置和调整操作。

2.3 软件设计

（1）温度采集与转换

系统使用 ADC 采集热敏电阻的温度信号，并将采集到的数字信号转换成温度值进行显示。转换公式为: T=(adc_value/255.0)*330，其中 adc_value 为 AD 转换器输出的数字值，330 是热敏电阻的参考电阻值。

（2）温度上限阀值设置

系统通过按键实现温度上限阀值的设置和调整操作，用户可以根据自己的需求进行设定。

（3）报警功能设计

系统在采集到温度超过预设阈值时，蜂鸣器会发出声响进行提醒，并且 LED 指示灯会亮起。

2.4 总体流程

（1）初始化各个模块，包括单片机、PCF8591、数码管、蜂鸣器和按键等。

（2）采集热敏电阻的温度信号，并将数字信号转换为温度值。

（3）将温度值通过数码管进行显示。

（4）检测当前温度是否超过预设阈值，若超过，则触发报警并点亮 LED 指示灯。

（5）用户可以通过按键设置温度上限阀值，系统会保存设置的阈值并进行下一次温度比较。

三、代码实现

以下是基于 51 单片机设计的热敏电阻测温系统的实现代码。

#include <reg52.h>#include <intrins.h>
typedef unsigned char u8;typedef unsigned int u16;
#define PCF8591_address_write 0x90#define PCF8591_address_read  0x91
sbit SCLK = P1^0;      //PCF8591模块时钟线sbit DOUT = P1^1;      //PCF8591模块数据线sbit DIN = P1^2;       //PCF8591模块数据线sbit CS = P1^3;        //PCF8591模块片选线
sbit LATCH1 = P3^4;    //锁存器1sbit LATCH2 = P3^5;    //锁存器2
sbit KEY1 = P2^0;      //按键1sbit KEY2 = P2^1;      //按键2
sbit BUZZ = P2^3;      //蜂鸣器
u16 ADC_value;         //采集到的ADC值float temperature;     //计算得到的温度值
u8 table[] = {  //共阳数码管段码表    0xc0,   //0    0xf9,   //1    0xa4,   //2    0xb0,   //3    0x99,   //4    0x92,   //5    0x82,   //6    0xf8,   //7    0x80,   //8    0x90,   //9    0xbf,   //-};
void delay(u16 i){    while(i--);}
void delay_ms(u16 ms){    u16 i, j;    for(i=0; i<ms; i++){        for(j=0; j<110; j++);    }}
void write_PCF8591(u8 data){    u8 i;    DIN = 1;    SCLK = 0;    CS = 0;    for(i=0; i<8; i++){        DOUT = (data & 0x80) >> 7;        data <<= 1;        SCLK = 1;        SCLK = 0;    }    CS = 1;}
u16 read_ADC(){    u16 value;    CS = 0;    DIN = 1;    SCLK = 0;    DIN = 0;    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    SCLK = 1;    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    value = P1;    SCLK = 0;    value <<= 8;    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    SCLK = 1;    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    _nop_();    value |= P1;    CS = 1;    return value;}
void display(u8 addr, u8 dat){    LATCH1 = 0;    LATCH2 = 0;    P0 = addr;    LATCH1 = 1;    LATCH1 = 0;    P0 = table[dat];    LATCH2 = 1;    LATCH2 = 0;}
void main(){    u8 set_value = 40;  //温度上限阀值    u8 temp;    write_PCF8591(0x40);    while(1){        ADC_value = read_ADC();        temperature = (float)ADC_value * 330 / 255;        temperature -= 50;        if(temperature > set_value){  //温度超过上限阀值，触发报警            BUZZ = 1;        }        else{            BUZZ = 0;        }        if(temperature < -99){            temp = '-';            display(0x00, temp);            display(0x01, 10);            display(0x02, 10);            display(0x03, 10);        }        else if(temperature < 0){            temp = '-';            display(0x00, temp);            temp = ~(int)temperature + 1;            display(0x01, temp/10);            display(0x02, temp%10);            display(0x03, 11);  //小数点        }        else if(temperature > 999){            display(0x00, 10);            display(0x01, 9);            display(0x02, 9);            display(0x03, 9);        }        else{            display(0x00, temperature/100);            display(0x01, temperature/10%10);            display(0x02, temperature%10);            display(0x03, 11);  //小数点        }        if(KEY1 == 0){  //按键1按下，增加上限阀值            delay_ms(10);            if(KEY1 == 0){                set_value++;                while(!KEY1);            }        }        if(KEY2 == 0){  //按键2按下，减小上限阀值            delay_ms(10);            if(KEY2 == 0){                set_value--;                while(!KEY2);            }        }        delay_ms(10);    }}

复制代码

代码中采用了共阳数码管，通过采集热敏电阻产生的电压值，计算得到环境温度值，再通过数码管进行显示；当温度超过设定的上限值时，会触发蜂鸣器报警。可以通过按键对温度上限阀值进行设置和调整操作。

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/0b55120bdafb69db55e22e5e2】。文章转载请联系作者。

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