基于Z－元件的单片机温度检测系统

摘要：介绍一种基于数字传感器（Z－元件）的单片机温度检测系统，给出了原理及设计方案，并指出其优点。

关键词：Z－元件；单片机；温度检测

1数字传感器温敏Z－元件

Z－元件正向输入直流电压，可得到幅值为输入电压20％～40％的直流脉冲，频率随温度、湿度、磁场、流量、光强、射线等物理量变化，无需前置放大器和A／D转换直接得到数字信号（准确地说是脉冲信号）。在测试温度时，我们主要采用了温敏Z－元件。

1．1温敏Z－元件的伏安特性

温敏Z－元件是一种具有非对称性伏安特性的二端有源元件，图1是温敏Z元件的测试电路连接图，图2是伏安特性图。其中，第一象限为正向特性，呈“L”型，可分为三个区：M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。Vth为阀值电压，Vf为导通电压，P（Vth，Ith）为阀值点。当加在温敏Z－元件上电压超过Vth时，其工作点迅速由M1区转换到M3区（微秒级）。第三象限为反向特性，具有很高的击穿电压和小的反向电流。

1．2温敏Z－元件的温度特性

温敏Z－元件的正向伏安特性随温度变化如图3所示。当温度升高时，正向伏安特性上的阀值点P向左上方移动，阀值电压Vth减小，因此，它只有负的温度系数。

温敏Z－元件采用不同电路时，可分别输出模拟信号、开关信号和频率信号。本系统采用频率信号输出方式。

温敏Z－元件输出频率信号时连接电路如图4所示。电路接通电源后，电容充电，当加在温敏Z－元件两端的电压大于Vth时，其工作状态立即由M1区经M2区跳到M3区，输出低电平Vf，这时，电容通过温敏Z－元件放电，当加在温敏Z－元件两端的电压小于Vf时，其工作状态又马上恢复到M1区，电源重新通过RL对电容充电。此过程周而复始，电路工作在振荡状态，输出下降沿触发脉冲频率信号。输出信号频率表达式为

由于温度变化时，Vf几乎不变，因此，当温度升高时，Vth减小，f增加。图5为输出波形随温度变化图，图6为频率随温度变化图。

2单片机系统组成

本系统采用AT89C51单片机，内带4K字节的FlashROM，不需外扩程序存贮器；系统处理的数据量不大，因而也不需要外扩数据存贮器，只用一片带E2PROM的多功能芯片X25045保存系统的工作参数及查表数据。系统结构见图7。

2．1复位与看门狗电路

该部分电路的主要芯片为多功能的X25045。该芯片把三种常用的功能：看门狗定时器、电压监控和E2PROM组合在单个封装之内。

看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统出现故障时，在选定的超时时间之后，X25045的看门狗将以RESET信号做出响应；利用X25045低VCC检测电路，可以保护系统，使之免受低电压的影响。当VCC降到最小VCC转换点以下时，系统复位，复位一直到VCC返回规定值且稳定为止。X25045的存储器是CMOS的4K位E2PROM。对X25045的操作通过单片机P1口的P1．0～P1．3实现。

2．2人机接口电路

人机接口电路包括四个按键，一片LCD显示器，一个LED指示灯和一个蜂鸣器。4个按键分别为：“功能”、“左移”、“增加”和“减少”，按键的状态分别通过单片机P1口的P1．4～P1．7输入。“左移”键用于控制光标移动，“增加”和“减少”键分别用于数字的增加和减少，每当输入完一个参数后按一次“功能”键，所有参数输入完成之后进入测试状态。测试的进程由定时器控制，并循环进行。LCD显示器为数字型液晶显示器，在参数输入状态下与按键配合用于参数输入，在测试状态下用于显示测试的结果。当所测温度超过设定温度上限时，LED指示灯闪烁，蜂鸣器报警。

2．3测试电路

温敏Z－元件输出的脉冲频率经过整形后送入单片机的T0端，置T0为计数方式，T1为定时方式。T0与T1配合，计算出温敏Z－元件的输出频率，再查表得出对应温度值，送入LCD显示。

2．4软件框架

单片机的软件设计采用了Franklin公司专为51系列单片机开发的C语言C51。整个软件可分为主程序和中断服务程序两部分。

①主程序

主程序主要包括以下几个部分：自检与初始化，从X25045读入参数，参数输入，参数写入X25045及进行检测。

初始化程序主要包括对单片机I／O口、内部RAM、定时器和中断系统的初始化。自检程序检测单片机的内部RAM工作是否正常，检测X25045中的数据是否发生变异。

②中断服务程序

主要是T0及T1两个中断源的中断服务程序。

3结束语

由上述系统设计可看出，此单片机温度检测系统结构简单，经济实用。若添加适当的控制器件，可实现温度实时控制。此系统尤其适用于温室大棚，气象测温等场合，具有很高的性价比。