基于Z－元件的單片機溫度檢測系統

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

關(guān)鍵詞：Z－元件；單片機；溫度檢測

1數字傳感器溫敏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、射線(xiàn)等物理量變化，無(wú)需前置放大器和A／D轉換直接得到數字信號（準確地說(shuō)是脈沖信號）。在測試溫度時(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稱(chēng)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(gè)區：M1高阻區，M2負阻區，M3低阻區。Vth為閥值電壓，Vf為導通電壓，P（Vth，Ith）為閥值點(diǎn)。當加在溫敏Z－元件上電壓超過(guò)Vth時(shí)，其工作點(diǎn)迅速由M1區轉換到M3區（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，它只有負的溫度系數。

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

溫敏Z－元件輸出頻率信號時(shí)連接電路如圖4所示。電路接通電源后，電容充電，當加在溫敏Z－元件兩端的電壓大于Vth時(shí)，其工作狀態(tài)立即由M1區經(jīng)M2區跳到M3區，輸出低電平Vf，這時(shí)，電容通過(guò)溫敏Z－元件放電，當加在溫敏Z－元件兩端的電壓小于Vf時(shí)，其工作狀態(tài)又馬上恢復到M1區，電源重新通過(guò)RL對電容充電。此過(guò)程周而復始，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(shí)，Vf幾乎不變，因此，當溫度升高時(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單片機系統組成

本系統采用AT89C51單片機，內帶4K字節的FlashROM，不需外擴程序存貯器；系統處理的數據量不大，因而也不需要外擴數據存貯器，只用一片帶E2PROM的多功能芯片X25045保存系統的工作參數及查表數據。系統結構見(jiàn)圖7。

2．1復位與看門(mén)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(mén)狗定時(shí)器、電壓監控和E2PROM組合在單個(gè)封裝之內。

看門(mén)狗定時(shí)器對微控制器提供了獨立的保護系統。當系統出現故障時(shí)，在選定的超時(shí)時(shí)間之后，X25045的看門(mén)狗將以RESET信號做出響應；利用X25045低VCC檢測電路，可以保護系統，使之免受低電壓的影響。當VCC降到最小VCC轉換點(diǎn)以下時(shí)，系統復位，復位一直到VCC返回規定值且穩定為止。X25045的存儲器是CMOS的4K位E2PROM。對X25045的操作通過(guò)單片機P1口的P1．0～P1．3實(shí)現。

2．2人機接口電路

人機接口電路包括四個(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P1口的P1．4～P1．7輸入。“左移”鍵用于控制光標移動(dòng)，“增加”和“減少”鍵分別用于數字的增加和減少，每當輸入完一個(gè)參數后按一次“功能”鍵，所有參數輸入完成之后進(jìn)入測試狀態(tài)。測試的進(jìn)程由定時(shí)器控制，并循環(huán)進(jìn)行。LCD顯示器為數字型液晶顯示器，在參數輸入狀態(tài)下與按鍵配合用于參數輸入，在測試狀態(tài)下用于顯示測試的結果。當所測溫度超過(guò)設定溫度上限時(shí)，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(guò)整形后送入單片機的T0端，置T0為計數方式，T1為定時(shí)方式。T0與T1配合，計算出溫敏Z－元件的輸出頻率，再查表得出對應溫度值，送入LCD顯示。

2．4軟件框架

單片機的軟件設計采用了Franklin公司專(zhuān)為51系列單片機開(kāi)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讀入參數，參數輸入，參數寫(xiě)入X25045及進(jìn)行檢測。

初始化程序主要包括對單片機I／O口、內部RAM、定時(shí)器和中斷系統的初始化。自檢程序檢測單片機的內部RAM工作是否正常，檢測X25045中的數據是否發(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結束語(yǔ)

由上述系統設計可看出，此單片機溫度檢測系統結構簡(jiǎn)單，經(jīng)濟實(shí)用。若添加適當的控制器件，可實(shí)現溫度實(shí)時(shí)控制。此系統尤其適用于溫室大棚，氣象測溫等場(chǎng)合，具有很高的性?xún)r(jià)比。