基于Z－元件的單片機(jī)溫度檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：介紹一種基于數(shù)字傳感器（Z－元件）的單片機(jī)溫度檢測(cè)系統(tǒng)，給出了原理及設(shè)計(jì)方案，并指出其優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Z－元件；單片機(jī)；溫度檢測(cè)

1數(shù)字傳感器溫敏Z－元件

Z－元件正向輸入直流電壓，可得到幅值為輸入電壓20％～40％的直流脈沖，頻率隨溫度、濕度、磁場(chǎng)、流量、光強(qiáng)、射線等物理量變化，無(wú)需前置放大器和A／D轉(zhuǎn)換直接得到數(shù)字信號(hào)（準(zhǔn)確地說(shuō)是脈沖信號(hào)）。在測(cè)試溫度時(shí)，我們主要采用了溫敏Z－元件。

1．1溫敏Z－元件的伏安特性

溫敏Z－元件是一種具有非對(duì)稱性伏安特性的二端有源元件，圖1是溫敏Z元件的測(cè)試電路連接圖，圖2是伏安特性圖。其中，第一象限為正向特性，呈“L”型，可分為三個(gè)區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。Vth為閥值電壓，Vf為導(dǎo)通電壓，P（Vth，Ith）為閥值點(diǎn)。當(dāng)加在溫敏Z－元件上電壓超過(guò)Vth時(shí)，其工作點(diǎn)迅速由M1區(qū)轉(zhuǎn)換到M3區(qū)（微秒級(jí)）。第三象限為反向特性，具有很高的擊穿電壓和小的反向電流。

1．2溫敏Z－元件的溫度特性

溫敏Z－元件的正向伏安特性隨溫度變化如圖3所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，正向伏安特性上的閥值點(diǎn)P向左上方移動(dòng)，閥值電壓Vth減小，因此，它只有負(fù)的溫度系數(shù)。

溫敏Z－元件采用不同電路時(shí)，可分別輸出模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)和頻率信號(hào)。本系統(tǒng)采用頻率信號(hào)輸出方式。

溫敏Z－元件輸出頻率信號(hào)時(shí)連接電路如圖4所示。電路接通電源后，電容充電，當(dāng)加在溫敏Z－元件兩端的電壓大于Vth時(shí)，其工作狀態(tài)立即由M1區(qū)經(jīng)M2區(qū)跳到M3區(qū)，輸出低電平Vf，這時(shí)，電容通過(guò)溫敏Z－元件放電，當(dāng)加在溫敏Z－元件兩端的電壓小于Vf時(shí)，其工作狀態(tài)又馬上恢復(fù)到M1區(qū)，電源重新通過(guò)RL對(duì)電容充電。此過(guò)程周而復(fù)始，電路工作在振蕩狀態(tài)，輸出下降沿觸發(fā)脈沖頻率信號(hào)。輸出信號(hào)頻率表達(dá)式為

由于溫度變化時(shí)，Vf幾乎不變，因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，Vth減小，f增加。圖5為輸出波形隨溫度變化圖，圖6為頻率隨溫度變化圖。

2單片機(jī)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，內(nèi)帶4K字節(jié)的FlashROM，不需外擴(kuò)程序存貯器；系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量不大，因而也不需要外擴(kuò)數(shù)據(jù)存貯器，只用一片帶E2PROM的多功能芯片X25045保存系統(tǒng)的工作參數(shù)及查表數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。

2．1復(fù)位與看門狗電路

該部分電路的主要芯片為多功能的X25045。該芯片把三種常用的功能：看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM組合在單個(gè)封裝之內(nèi)。

看門狗定時(shí)器對(duì)微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，在選定的超時(shí)時(shí)間之后，X25045的看門狗將以RESET信號(hào)做出響應(yīng)；利用X25045低VCC檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)，使之免受低電壓的影響。當(dāng)VCC降到最小VCC轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位一直到VCC返回規(guī)定值且穩(wěn)定為止。X25045的存儲(chǔ)器是CMOS的4K位E2PROM。對(duì)X25045的操作通過(guò)單片機(jī)P1口的P1．0～P1．3實(shí)現(xiàn)。

2．2人機(jī)接口電路

人機(jī)接口電路包括四個(gè)按鍵，一片LCD顯示器，一個(gè)LED指示燈和一個(gè)蜂鳴器。4個(gè)按鍵分別為：“功能”、“左移”、“增加”和“減少”，按鍵的狀態(tài)分別通過(guò)單片機(jī)P1口的P1．4～P1．7輸入。“左移”鍵用于控制光標(biāo)移動(dòng)，“增加”和“減少”鍵分別用于數(shù)字的增加和減少，每當(dāng)輸入完一個(gè)參數(shù)后按一次“功能”鍵，所有參數(shù)輸入完成之后進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。測(cè)試的進(jìn)程由定時(shí)器控制，并循環(huán)進(jìn)行。LCD顯示器為數(shù)字型液晶顯示器，在參數(shù)輸入狀態(tài)下與按鍵配合用于參數(shù)輸入，在測(cè)試狀態(tài)下用于顯示測(cè)試的結(jié)果。當(dāng)所測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定溫度上限時(shí)，LED指示燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警。

2．3測(cè)試電路

溫敏Z－元件輸出的脈沖頻率經(jīng)過(guò)整形后送入單片機(jī)的T0端，置T0為計(jì)數(shù)方式，T1為定時(shí)方式。T0與T1配合，計(jì)算出溫敏Z－元件的輸出頻率，再查表得出對(duì)應(yīng)溫度值，送入LCD顯示。

2．4軟件框架

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用了Franklin公司專為51系列單片機(jī)開發(fā)的C語(yǔ)言C51。整個(gè)軟件可分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。

①主程序

主程序主要包括以下幾個(gè)部分：自檢與初始化，從X25045讀入?yún)?shù)，參數(shù)輸入，參數(shù)寫入X25045及進(jìn)行檢測(cè)。

初始化程序主要包括對(duì)單片機(jī)I／O口、內(nèi)部RAM、定時(shí)器和中斷系統(tǒng)的初始化。自檢程序檢測(cè)單片機(jī)的內(nèi)部RAM工作是否正常，檢測(cè)X25045中的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變異。

②中斷服務(wù)程序

主要是T0及T1兩個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序。

3結(jié)束語(yǔ)

由上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)可看出，此單片機(jī)溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。若添加適當(dāng)?shù)目刂破骷?，可?shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)控制。此系統(tǒng)尤其適用于溫室大棚，氣象測(cè)溫等場(chǎng)合，具有很高的性價(jià)比。