基于Z－元件的單片機溫度檢測系統(tǒng)

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

關(guān)鍵詞：Z－元件；單片機；溫度檢測

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、流量、光強、射線等物理量變化，無需前置放大器和A／D轉(zhuǎn)換直接得到數(shù)字信號（準(zhǔn)確地說是脈沖信號）。在測試溫度時，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稱性伏安特性的二端有源元件，圖1是溫敏Z元件的測試電路連接圖，圖2是伏安特性圖。其中，第一象限為正向特性，呈“L”型，可分為三個區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負阻區(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。當(dāng)加在溫敏Z－元件上電壓超過Vth時，其工作點迅速由M1區(qū)轉(zhuǎn)換到M3區(qū)（微秒級）。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，正向伏安特性上的閥值點P向左上方移動，閥值電壓Vth減小，因此，它只有負的溫度系數(shù)。

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

溫敏Z－元件輸出頻率信號時連接電路如圖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，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，電容通過溫敏Z－元件放電，當(dāng)加在溫敏Z－元件兩端的電壓小于Vf時，其工作狀態(tài)又馬上恢復(fù)到M1區(qū)，電源重新通過RL對電容充電。此過程周而復(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。輸出信號頻率表達式為

由于溫度變化時，Vf幾乎不變，因此，當(dāng)溫度升高時，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單片機系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機，內(nèi)帶4K字節(jié)的FlashROM，不需外擴程序存貯器；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：看門狗定時器、電壓監(jiān)控和E2PROM組合在單個封裝之內(nèi)。

看門狗定時器對微控制器提供了獨立的保護系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在選定的超時時間之后，X25045的看門狗將以RESET信號做出響應(yīng)；利用X25045低VCC檢測電路，可以保護系統(tǒng)，使之免受低電壓的影響。當(dāng)VCC降到最小VCC轉(zhuǎn)換點以下時，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的存儲器是CMOS的4K位E2PROM。對X25045的操作通過單片機P1口的P1．0～P1．3實現(xiàn)。

2．2人機接口電路

人機接口電路包括四個按鍵，一片LCD顯示器，一個LED指示燈和一個蜂鳴器。4個按鍵分別為：“功能”、“左移”、“增加”和“減少”，按鍵的狀態(tài)分別通過單片機P1口的P1．4～P1．7輸入。“左移”鍵用于控制光標(biāo)移動，“增加”和“減少”鍵分別用于數(shù)字的增加和減少，每當(dāng)輸入完一個參數(shù)后按一次“功能”鍵，所有參數(shù)輸入完成之后進入測試狀態(tài)。測試的進程由定時器控制，并循環(huán)進行。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，在測試狀態(tài)下用于顯示測試的結(jié)果。當(dāng)所測溫度超過設(shè)定溫度上限時，LED指示燈閃爍，蜂鳴器報警。

2．3測試電路

溫敏Z－元件輸出的脈沖頻率經(jīng)過整形后送入單片機的T0端，置T0為計數(shù)方式，T1為定時方式。T0與T1配合，計算出溫敏Z－元件的輸出頻率，再查表得出對應(yīng)溫度值，送入LCD顯示。

2．4軟件框架

單片機的軟件設(shè)計采用了Franklin公司專為51系列單片機開發(fā)的C語言C51。整個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及進行檢測。

初始化程序主要包括對單片機I／O口、內(nèi)部RAM、定時器和中斷系統(tǒng)的初始化。自檢程序檢測單片機的內(nèi)部RAM工作是否正常，檢測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T1兩個中斷源的中斷服務(wù)程序。

3結(jié)束語

由上述系統(tǒng)設(shè)計可看出，此單片機溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用。若添加適當(dāng)?shù)目刂破骷?，可實現(xiàn)溫度實時控制。此系統(tǒng)尤其適用于溫室大棚，氣象測溫等場合，具有很高的性價比。