基于51单片机设计的热敏电阻测温系统

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1
 sbit LATCH2 = P3^5;    //锁存器2
 ​
 sbit KEY1 = P2^0;      //按键1
 sbit 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);
     }
 }

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。
　　审核编辑：汤梓红