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專專專專 題題題題 論論論論 文文文文

恆溫回授控制裝置恆溫回授控制裝置恆溫回授控制裝置恆溫回授控制裝置 A Constant Temperature Instrument with

Feedback Control Circuits

指導教授指導教授指導教授指導教授：：：：張興政張興政張興政張興政 學學學學 生生生生：：：：李俊翰李俊翰李俊翰李俊翰

黃世昕黃世昕黃世昕黃世昕 李毓偉李毓偉李毓偉李毓偉

中 華 民 國 九 十 七 年中 華 民 國 九 十 七 年中 華 民 國 九 十 七 年中 華 民 國 九 十 七 年 十 二十 二十 二十 二 月月月月 ㄧㄧㄧㄧ 日日日日

i

ii

致謝致謝致謝致謝

在這次專題研究過程期間，感謝張興政老師的指導，在這專題製作期間一年

的時間裡，對於知識的教導及論文的寫作原則，均給予豐富且詳細的指導。謝謝

廖特瑩學長、廖述俊學長以及、魏上淳學長不厭其煩給予我們詳細的指導並修正

以及增加我們對元件及相關專業知識的瞭解，在此致上最高的謝意。

iii

中文摘要中文摘要中文摘要中文摘要

本專題是利用溫度感測元件 AD590 之特性，製作溫度感測裝置，並以 8051

單晶片微電腦系統作為主元件架構，結合溫度感測、LED 顯示器完成一套溫度

感測與恆溫控制系統。

本專題功能是利用溫度感測元件 AD590 感測到架構內部溫度，經 8051 轉換

溫度值，在 LED 顯示器中顯示溫度，再利用程式控制，設定恆溫溫度，感測到

的溫度則會與所設定的溫度上下限值做比較，低於下限值，啟動電熱片開始加熱

且關閉風扇，高於上限值，啟動風扇開始降溫且關閉電熱片。恆溫時電燈發亮，

停止風扇與電熱片，使維持恆定的溫度。

iv

英英英英文摘要文摘要文摘要文摘要

The study covers the process of creating temperature sensing devices using the

characteristics of AD590, and a temperature sensor. Using the microprocessor 8051 as

the main control component, we created a thermostat system combined with the

temperature sensors and LED display.

Through using 8051, we are able to transfer the measured temperature, sensed by

component AD590, into specific voltage values. Then, the temperature values are

shown on the LED display. The operation temperature is also set to compare with a

range of temperature limit. When the temperature is lower than the set point of low

limit, the heating fan would automatically start. In the other hand, when the

temperature is higher than the up limit, the cooling fan will start to work and shut

down the heater. When the temperature reaches the set point, the thermostat would

light up and shut down all fans to maintain the constant temperature.

v

目錄目錄目錄目錄

致謝...........................................................................................................................ii

中文摘要...................................................................................................................iii

英文摘要...................................................................................................................iv

目錄..........................................................................................................................v

圖目錄......................................................................................................................vi

表目錄......................................................................................................................viii

第一章 緒論...............................................................................................................1

第二章 基礎理論.......................................................................................................2

2.1 AD590 介紹.......................................................................................................2

2.2 ADCO804 介紹.................................................................................................4

2.3 MC-51 特性、說明...........................................................................................7

2.4 7 段顯示器與解碼器 74LS47、SN74139......................................................12

2.5 鍵盤與繼電器原理和特性.............................................................................14

2.6 電晶體 PNP 介紹............................................................................................17

2.7 電源供應器......................................................................................................18

第三章 恆溫腔硬體架構及電路設計......................................................................23

3.1 系統硬體架構..................................................................................................23

3.2 感測器電路設計..............................................................................................25

3.3 8051 電路設計.................................................................................................28

第四章 實驗結果與討論..........................................................................................30

4.1 感測溫度校正..................................................................................................30

4.2 設定溫度啟動風扇和加熱盤..........................................................................31

第五章 結論..............................................................................................................38

參考文獻....................................................................................................................39

附錄：感測器程式碼................................................................................................40

vi

圖目錄圖目錄圖目錄圖目錄

圖 2.1：AD590 轉換電路...........................................................................................3

圖 2.2：AD590 包裝與等效電路圖...........................................................................3

圖 2.3：AD590 特性曲線...........................................................................................3

圖 2.4：ADC0804 接腳圖..........................................................................................5

圖 2.5: ADC0804 寫入時序圖....................................................................................7

圖 2.6: DC0804 讀取時序圖.......................................................................................7

圖 2.7: MCS-51 的內部結構......................................................................................9

圖 2.8: MCS-51 的接腳圖..........................................................................................9

圖 2.9:中斷源之向量位址.........................................................................................11

圖 2.10: 7 段顯示器內視圖.......................................................................................12

圖 2.11:具致能輸入端的 2 對 4 線解碼器...............................................................13

圖 2.12: 2 對 4 線解碼器 IC......................................................................................13

圖 2.13: LS139 接腳圖..............................................................................................14

圖 2.14: LS139 真值表..............................................................................................14

圖 2.15:矩陣鍵盤內部電路.......................................................................................15

圖 2.16:電晶體電路...................................................................................................18

圖2.17:穩壓電路之方塊圖........................................................................................18

圖 2.18:電源供應器...................................................................................................18

圖2.19:穩壓供應器之動作原理................................................................................19

圖2.20: 78XX 與79XX系列之穩壓IC圖及接腳說明..............................................20

圖 2.21:簡易穩壓 IC 圖.............................................................................................21

圖 2.22:電源供應器實體圖 5、9、12V....................................................................21

圖 2.23:加熱用之電源供應器 67V............................................................................22

圖 3.1:結構架構圖.....................................................................................................23

圖 3.2:恆溫腔實際架構.............................................................................................24

圖 3.3:恆溫腔實際架構側面圖.................................................................................24

圖 3.4:溫度感測電路圖.............................................................................................25

圖 3.5:實際感測電路圖.............................................................................................26

圖 3.6: HA17324 腳位圖...........................................................................................27

圖 3.7: 8051 輸出電路...............................................................................................28

圖 3.8 流程圖............................................................................................................29 圖 4.1: AD590 和實際溫度.......................................................................................30

圖 4.2:感測器與實際溫度之差異.............................................................................31

圖 4.3:輸入比較溫度 38 度.......................................................................................32

圖 4.4:低於 38 度啟動加熱器...................................................................................32

圖 4.5:高於 42 度啟動風扇.......................................................................................33

vii

圖 4.6:等於 38 度時恆溫(紅色 LED 發亮) ...............................................................33

圖 4.7:恆溫實際良測數據圖曲線圖..........................................................................34

圖 4.8: AD590 量測溫度.............................................................................................35

圖 4.9:距 sensor 0 cm 單點多次.................................................................................36

圖 4.10:距 sensor 2 cm 單點多次...............................................................................36

圖 4.11:距 sensor 4 cm 單點多次...............................................................................37

圖 4.12:距 sensor 6 cm 單點多次...............................................................................37

viii

表目錄表目錄表目錄表目錄

表 2.1: MCS-51 類型..................................................................................................8

表 2.2: BJT 的操作模式............................................................................................17

表 3.1:溫度與電壓關係.............................................................................................26

表 4.1: AD590 和實際溫度比較...............................................................................30

表 4.2:恆溫實際良測數據.........................................................................................34

表 4.3 恆溫單點多次量測數據................................................................................35

1

第一章第一章第一章第一章 緒論緒論緒論緒論 1.1 研研研研究究究究動機動機動機動機

隨著生化科技越來越發達，很多情況下都要保持恆溫的狀態，生命體才能存

活，藥物才能保存，保持在適當的溫度範圍內才能有效地工作。

1.2 研究研究研究研究目的目的目的目的

由於學習過相關微處理機的課程後，得知 8051 晶片功能強大，可用來製成

多種用途的硬體控制晶片，是業界軟體中常被使用的控制晶片。本次專題希望利

用 8051 單晶片，來實際製作對日常生活方便的工具，例如將它應用於溫度控制

器。藉由對溫度的量測，製造可保持恆溫的環境，對於某些需要控制環境溫度的

情況而言，無非是一大便利，於是便開始去研究它。

2

第二章基礎理論第二章基礎理論第二章基礎理論第二章基礎理論

2.1 AD590 介紹介紹介紹介紹

AD590 是積體化的溫度感測 IC，他將感測到的溫度轉換成電流源型式輸

出，目前市面上積體化的溫度感測 IC 也很多，溫度轉換型態、可量測的溫度範

圍、準確度各有不同，AD590IHK315 可量測溫度範圍－55℃~＋150℃，誤差為

±3.0℃，其溫度轉換型態也是以電流型式輸出。

溫度感測器的選用測試範圍很重要，例如工業用煉鋼、煉鐵的溫度感測，便

不適於積體化的溫度感測 IC，而改採熱電耦或以紅外線溫度感測方式；準確度

也是溫度感測的考量重點，假如所需要量測的溫度需要到達±0.1℃以下，則我們

選用的誤差±3.0℃則不適用，一般感測的轉換型態，有電流型式、電壓型式、電

阻型式三種，AD590 是屬於電流型式的溫度轉換型態，AD590 流出的電流大小

隨感測到的溫度而定，若溫度固定，AD590 便固定於相對應溫度的電流大小，

若溫度上升 1°K，電流便相對上升 1µA。

AD590 有以下幾點特點:

（1） 量測的溫度範圍:－55℃~150℃

（2） 轉換率:1µA/°K

（3） 線性度佳。

（4） 電源電壓範圍大:－4V~＋30V，所加電源電壓在這範圍內，AD590 的感測

特性不會改變。

AD590 的絕對溫度與輸出電流之關係式如下:

Io(µA)=273.2+△T

AD590 如同電晶體有 3 支接腳，一為正端輸入，一為負端輸入，一為與外

殼相接或空腳，其接腳的判斷與二極體相同，將三用電錶切於×1K 檔，黑棒(電

池負端)接 AD590 之負端輸入腳，測得電阻約 15K 歐姆，反之則為高阻抗。

3

圖 2.1 AD590 轉換電路

AD590 經由溫度變化輸出電流，外接電阻產生壓差，則可將輸出訊號改變

為電壓值輸出，即 1µA/°K 轉換成 10mv/°K，在經由 OP 放大量測電壓值，即可

得到所需的量測訊號，AD590 的包裝與等效電路圖，是 TO-52 型金屬外殼包裝。

他是兩端子的半導體溫度感測元件，另有一端子是外殼接腳，可接地減少雜訊干

擾。

圖 2.2 AD590 包裝與等效電路圖

圖 2.3 AD590 特性曲線

4

2.2 ADCO804 介紹介紹介紹介紹

類比/數位轉換的應用-電壓與溫度量測：

ADC0804 具 8 位元類比數位轉換功能，經常應用在儀錶量測與感測元件上。

例如使用 8051 單晶片經由 ADC0804 讀取外部的電壓值，並顯示在 7 段顯示器

或 LCD 上，如果量測的電壓值是來自溫度感測器，經過電壓值與溫度值之間的

校準與換算，將溫度顯示在 7 段顯示器上，就是一個數位式溫度計或溫度監控裝

置。

ADC0804 只有 8 位元的解析度，因此量測精確度受到一定限制，若要更精

密量測，可考慮 12 位元的 AD574，或其他更高解析度的類比數位轉換 IC。

ADCO804 系列是一顆 8 位元漸進式 CMOS 的類比數位轉換器

(A/DConverter)。能將外部類比電壓訊號輸入，轉換成數位訊號輸出，提供 8051

單晶片讀取類比訊號。主要的特性包括下列:

● 8 位元解析度。

●差動式類比電壓輸入。

●是滿刻度誤差在±LSB(Least Significant Bit)。

●工作溫度範圍內，非線性誤差: ±0.1%(滿刻度)

●穩態時間(轉換時間)為 100µs

●與 TTL 與 CMOS 可直接匹配。

5

ADCO804 為 20 接腳的 IC，接腳如下圖所示。接腳與應用電路的說明如下:

圖 2.4 ADC0804 接腳圖

8 位元的數位訊號輸出端 B0~B7(18~11)接腳)，三態控制資料輸入匯流排，

一般連接到數位微控制器的輸入埠。例如使用 8051 的 P0 埠，當晶片選擇訊號CS

與讀取控制訊號皆為低電位時，資料匯流排被致能，資料由輸出端送到 8051 單

晶片的 P0 輸入埠。其中 B0 為 LSB(例如連接 P0.0)，B7 為 LSB(例如連接 P0.7)。

數位訊號讀寫控制 4 之接腳，晶片讀取訊號CS (1 腳)，寫入控制訊號WR (3

腳) ，讀取控制訊號 RD (2 腳) ，中斷請求訊號 INTR (5 腳) 。這 4 條控制線連

接到數位微控制器的輸出埠或中斷接腳，例如 8051 單晶片使用 INT0 連接 INTR

接腳，使用 P1 埠的控制CS 、WR 、 RD 接腳。

類比訊號輸人端 VIN+， VIN-(6，7 腳)，類比訊號的輸入方式可分為差動

輸入方式與單端輸入方式。差動輸入方式是將 VIN+與 VIN-共接到類比訊號源，

可使訊號共同存在雜訊(共模雜訊)減少到最低程度。單端輸入方式是將 VIN-接

地。

時脈訊號線包括時脈輸入端 CLKIN(4 腳)，時脈輸出端 CLKR(l9 腳)。ADCO804

的時脈訊號可由外部供應，外部時脈頻率範圍約 100K~800KHz，時脈訊號由時

脈輸入端 CLKIN 輸入。ADCO804 的時脈訊號亦可從內部自激振盪產生，但

6

CLKIN 與 CLKR 兩接腳必須與配合一 RC 電路，振盪頻率為 fclk＝1/1.1RC，如圖

10-11 所示。例如振盪頻率為 fclk＝600KHZ，R＝10K，C＝150pf。

8051 單晶片系統透過 ADC0804 的類比數位轉換，可讀取外部的類比訊號，

說明如下:

1.ADC0804 數位訊號輸出端 DB0~DB7 連接 8051 的 P0 埠，讀取轉換為 8 位元的

數位資料。

2.控制線CS 接地( CS 、＝0)，表示晶片永遠處於被選擇狀態，RD與WR 兩接腳

連接 8051 的 P1 埠的兩個接點(P1.0，P1.1)， INTR 接 8051 的中斷接腳 INT0。

ADC0804 寫入時序：

ADC0804 輸入端 VIN+，VIN-讀取類比訊號並做類比/數位的過程，稱為寫

入時序。當晶片選擇線與寫入控制線皆為低電位CS =0，WR =0 時，ADC0804

內部重置，將中斷請求訊號設定為高電位 INTR =1。當 WR 由低電位轉換為高電

位時(正緣)，ADC0804 執行 A/D 轉換，轉換時間約 1~8 個振盪週期。當 A/D 轉

換完畢，數位資料儲存在輸出栓鎖器中，並將中斷控制訊號設為低電位，

INTR =0，等待 8051 來讀取資料。中斷控制訊號保持低電位，直到 8051 讀取資

料，或下一次重置時，才會轉換高電位。

7

圖 2.5 ADC0804 寫入時序圖

ADC0804 讀取時序：

ADC0804 將類比訊號轉換為的數位資料，可透過讀取時序將資料傳回 8051

的輸入埠。當 ADC0804 執行 A/D 轉換完畢時，中斷請求訊號會降為低電位

INTR =0，要求 8051 讀取資料。8051 下達控制訊CS =0、WR =0 時， INTR 由低

電位升為高電位，數位資料由資料匯流排(DB0~DB7)送入 8051 的輸入埠。

圖 2.6 DC0804 讀取時序圖

2.3 MC-51 特性特性特性特性、、、、說明說明說明說明

2.3.1 MCS-51 簡介

MCS- 51 是 Intel 公司所設計的 8051 系列單晶片的總稱，較具知名度的編號

有 8051、8751 和 8031，這些不同的單晶片都使用相同的核心 CPU 與指令集，

INTR

CS

RD

DB7~DB0

TRI=300nS~450nS

TACC135nS~200nS

TIH,TOH=125nS~200nS

三態

註

INTR

CS

RD

DB7~DB0

TRI=300nS~450nS

TACC135nS~200nS

TIH,TOH=125nS~200nS

三態

註

CS

WR

內部轉換狀態

INTR上次資料已被讀取

上次資料未被讀取

轉換完成

準備轉換

TW=100nS

TWI

8/F

內部轉換時間

TCLK/2

300nS~450nS

CS

WR

內部轉換狀態

INTR上次資料已被讀取

上次資料未被讀取

轉換完成

準備轉換

TW=100nS

TWI

8/F

內部轉換時間

TCLK/2

300nS~450nS

8

只是能在製造 IC 時給予不同的周邊設計分別賦予這些 IC 一個特別編號。

表2.1 MCS-51類型

名稱 ROMLESS EPROM ROM( 位

元組)

RAM(位元 組)

16位元計 時器

電路型式

8051 8031 (8751) 2 K 128 2 HMOS

8051AH 8031AH 8751H 2 K 128 2 HMOS

8052AH 8032AH 8752H 2 K 256 3 HMOS

80C51BH 80C31BH 87C51 2 K 128 2 HMOS

以下將 MCS-51 系列單晶片的主要功能列舉如下：

1. 專為控制應用所設計的 8 位元 CPU

2. 有 32 條(4 個 Port) 雙向且每條都可以被單獨定址的 I/O

3.有完整的單位元邏輯運算指令

4. 內部有 4K 的程式記憶體

5. 內部有兩個 16 位元 Timer/Counter

6. 有一個通信用的全雙工 UART(串列 I/O)

7. 可接受 5 個中斷源，且有 2 層優先權的中斷結構

8. 內部有時脈振盪器(最高頻率可到 12MHz)

9. 內部有 128Byte 可供讀 /寫的 RAM

10.可在外部擴充到 64K 程式記憶體(EPROM)

11.可在外部擴充 64K 資料記憶體(RAM)

9

圖2.7 MCS-51的內部結構 2.3.2 MCS-51 的接腳

圖 2.8 MCS-51 的接腳圖

10

第 1~3 腳（P1.0~P1.2）：

我們利用這 3 支腳分別是，P1.0 溫度高於比較溫度時輸出使繼電器激磁推動

風扇，P1.1 當溫度在比較溫度範圍內使 LED 發亮，P1.2 當溫度低於比較溫度時

輸出使繼電器激磁推動加熱片。

9 腳(RESET)：

8051 的重置(Reset)輸入腳，當這支腳由外部輸入 High(+5V)的信號時，8051

就被重置，8051 被重置後就從位址 0000H 開始執行程式。

10~17 腳(P3.0~P3.7)：

這 8 支腳我們接了一個 4×4 的矩陣鍵盤，利用鍵盤來輸入比較溫度，鍵盤上

的 A 鍵是當輸入完比較溫度的確定鍵以繼續往下執行。

18~19 腳(XTAL2，XTAL1)：

這兩支腳是 8051 內部時脈振盪器的輸入端，您可以在這兩支腳上跨接一個

12MHz 的工作頻率，供內部使用。8051 會根據這個速度工作。若未特別註明，

這個振盪器的工作頻率是在 1MHz~12MHz 之間的任何一個。如果線路板上已有

振盪器，那這個振盪器所產生的 脈波(Clock) 也可以直接輸入給 8051 使用。這

個外部送給 8051 使用的脈波是從第 18 腳(XTAL2)輸入，而 19 腳(XTAL1)必須

接地，以上的接法是 CMOS 的 8051(如 8051AH)。

40、20 腳(Vcc，Vss)：

這是 8051 的電源輸入端，40 腳接電源的正端的 20 腳接地。電源規格是

5V +/- 10﹪。

21~28 腳(P2.0~P2.7)：

這 8 支腳我們接 ADC0804 接收感測到的輸入訊號，進入 89S51 之後進行換

算而輸出到七節段顯示器。

31 腳(EA)：

這是一支輸入腳，當 EA=0 時，8051 一律執行外部程式記憶體裡的程式，

因此 8051 內部的 4K 程式記憶體就沒有用了。因此如果您要使用內部的程式記

11

憶體時，一定要將 EA 接+5V。因為 8031(或 8032)內部沒有程式記憶體它的 EA

必須接地。

32~39 腳(P0.0~P0.7)：

這 8 支腳我們接的是輸出到 74LS47 和 74LS139，分別來控制七段顯示器亮

的顆數和解碼顯示數字。

2.3.3 程式記憶體功能及中斷位址

程式記憶體(Program Memory)的主要目的在於用來儲存系統功能所需要的

系統程式(System Program)，當系統程式從程式記憶體中被提出來執行後，系統

就有系統程式上之功能。

為了設計上的需求，程式記憶體必須能依 MCS-51 所提供之功能以及相對

的程式記憶體內的位址來規劃中斷服務程式，所以程式記憶體中的位址來儲存中

斷向量，各中斷之向量位址如下圖 2.9。

圖 2.9 中斷源之向量位址

12

2.4 7 段顯示器與解碼器段顯示器與解碼器段顯示器與解碼器段顯示器與解碼器 74LS47 、、、、SN74139

7 段顯示器內部由數個發光二極體形成，根據二極體正端或負端相接來決定

7 段顯示器為共陽極或共陰極電路，無論是共陽極或共陰極，每個 LED 只要加

上 1.5V 左右的順向電壓及 10~20mA 的順向電流，就可以獲得充份的亮度，此次

專題使用共陽極電路。

圖 2.10 7 段顯示器內視圖

解碼器 74LS47 的功能就是──能將 N 位元輸入信號轉換成 M 條輸出信號，

且每條輸出線僅在其相對應的輸入信號組合出現在輸入端時，才會進入激發狀

態，也就是與其他的輸出端處於不同的狀態，2 對 4 線解碼器，顧名思義，它有

2 條輸入線，4 條輸出線，由於 2×2＝4，所以為一全解碼器，即每一輸入的組合，

皆有相對應的輸出端被激發。

致能控制:

多數的解碼器 IC 在設計製作時，常包含 1 個或多個致能輸入端來控制整個

電路 IC 的動作:如下圖 2.12 所示為一個含致能控制端的 2 對 4 解碼器；當致能輸

入端 E 為 1 時，所有的輸出端(Y0…Y3)均為 1，表示此時輸出端的狀態與輸入端

B、A 的信號無關；而當致能輸入端 E 為 0 時，則該電路為一種具有補數形式輸

出的解碼器，其實也就是前面所說的輸出激發狀態為 0 的解碼器，即當 E＝1 時，

B 與 A 均為不考慮的狀態，只有在 E＝0 時，該電路才有解碼的作用，且輸出為

13

低態激發。

由圖 2.11 的方塊途中可以得知：致能輸入端 E 處表示 E＝0 時，才允許使用

該解碼器(致能)，若 E＝1 時，該解碼器不能動作；而輸出端(Y0…Y3)是低態激

發動作。

圖 2.11 具致能輸入端的 2 對 4 線解碼器

解碼器 SN74139 為常見的 2 對 4 線解碼器 IC，如下圖所示為電路圖、IC 接

腳圖及真值表，該 IC 內含兩組 2 對 4 線的解碼器；而從真値表中可以很清楚明

瞭輸入與輸出的關係，即當致能端 G＝High，不論 A、B 輸入為何，輸出均為高

態；反之，當 G=Low時，輸出則依輸入 A、B 信號而改變，且輸出為低態激發。

圖 2.12 2 對 4 線解碼器 IC

14

圖 2.13 LS139 接腳圖

圖 2.14 真值表

2.5 鍵盤與繼電器原理和特性鍵盤與繼電器原理和特性鍵盤與繼電器原理和特性鍵盤與繼電器原理和特性

2.5.1 矩陣鍵盤矩陣鍵盤矩陣鍵盤矩陣鍵盤

矩陣鍵盤可以用來代替需要大量按鍵時使用，因為按鍵數量多時會佔用太

多輸入阜的接腳，所以可以使用矩陣鍵盤減少接點。例如一個 4×4＝16 的按鍵的

鍵盤只需使用到 4＋4＝8 隻接腳。

15

圖 2.15 矩陣鍵盤內部電路

我們使用矩陣鍵盤來輸入一組溫度比較值來跟恆溫裝置做比較，當溫度高

於溫度比較值時啟動風扇，反之則啟動加熱器。

2.5.2 電磁繼電器的工作原理和特性電磁繼電器的工作原理和特性電磁繼電器的工作原理和特性電磁繼電器的工作原理和特性

繼電器是一種電子控制元件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制

系統（又稱輸出回路），通常應用於自動控制電路中，它實際上是用較小的電流

去控制較大電流的一種「自動開關」。故在電路中具有自動調節、安全保護、轉

換電路等作用。

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、接點簧片等組成的。只要在線圈兩

端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會

在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動接點與

靜接點（常開接點）吸合。當線圈斷電後，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在

彈簧的反作用力 返回原來的位置，使動接點與原來的靜接點（常閉觸點）吸合。

這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對於繼電器的「常

開、常閉」接點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處於斷開狀態的靜觸點，

稱為「常開接點」；處於接通狀態的靜觸點稱為「常閉接點」。

本次專題使用的是 5V 電磁式繼電器，因為單晶片輸出的電流小所以我們在

繼電器前加了一個達靈頓電路用來增加電流增益來推動繼電器。

16

【優點】：

1.以小電流輸入即能使其接點動作，將大電流啟閉，且可利用其多組接點同時起

閉許多電路。

2,接點的起閉確實，接點打開時可認為具有無限大的阻力，接點閉合時，具有極

低之阻力，可認為阻力為零。

3.接點有耐過電流或過電壓的能力，電子零件則無此能耐。

4.迴路簡單，價格便宜，容易維護。

【缺點】

1.在震動甚大之場合，接點會發生接觸不良之現象。

2.接點啟閉時有火花，接點將因火花而耗損，同時由於機械的磨損而有一定的壽

命。一般接點啟閉壽命約數十萬次。

17

2.6 電晶體電晶體電晶體電晶體 PNP 介紹介紹介紹介紹

電晶體除作為交流信號放大電路中的主動元件外，亦可當開關使用，當電晶體被當作電子開關時，它是工作於截止區或飽和區。此次專題電路就是當開關來

使用。

電晶體因 EBJ、CBJ 逆偏而截止，在此情況下，集極和射極間是開路的。電

晶體 EBJ、CBJ 順偏，因此電晶體是飽和的，在此情況下，集極和射極有如開關

接通一般，是短路的，實際上在集、射極大約有 0.2V 的壓降，此為電晶體飽和

電壓。

模式 EBJ CBJ

截止 反偏 反偏

主動 順偏 反偏

反向主動 反偏 順偏

飽和 順偏 順偏

表 2.2 BJT 的操作模式

電晶體開關之優點:

1.電晶體開關的 ON 與 OFF 之切換速度快，以微秒(µs)計。

2.電晶體開關屬於無接點型式，不會有接點磨損及表面氧化的問題，故其使用壽

命較長。

由於 IC 皆以 5V 為操作電壓，為防止 74LS139 之 IC 輸出電流驅動力不足，

此時外加電晶體驅動電路，74LS139 的輸出只需要驅動當開關用的電晶體基極的

極小電流，7 段顯示器中 LED 的電流則可透過外接電源直接提供。

18

圖 2.16 電晶體電路

2.7 電源供應器電源供應器電源供應器電源供應器

在電子電路中，一定會用到直流電源，而 OP AMP 電路以及諸多此類的數

位電路，可用單電源及雙電源。所以必須把 110V 的交流電源，轉換成直流電供

電子電路使用。所使用的直流電源，必須是相當穩定的直流電源，且要足夠的電

流驅動能力。因此為了使實驗更加便利，自行製作出所需規格的穩壓型電源供應

器是非常重要的。一般家裡牆壁上的插座是供應 110V 或 220V，頻率約為 60Hz

的交流電源，而這些交流電源的供給並不是十分的準確，大多的以電子電路裝

置，都必須將交流電源先降壓，再透過橋式整流器將交流電源轉換成直流電源，

經過一連串的濾波以及穩壓電路，即可得到一組我們所需規格的穩定電源了。

圖2.17 穩壓電路之方塊圖

圖 2.18 電源供應器

19

圖2.19 穩壓供應器之動作原理

在諸多的電子電路實驗中，並不需要110V 或220V 這麼大的電壓來驅動及

操作，因此要先將110V 的電壓先予以降壓，而現今的變壓器規格齊全，在選購

或使用上都非常方便，因為在本專題上用到正負兩種電壓，所以必須挑選一組中

間抽頭式的變壓器，在此我們選用的型號為PT-16的變壓器，此變壓器可以提供

+12V、0V、-12V 三種電源的輸出，最大所能功給的安全電流為1.3A，符合這次

專題的需求。

2.7.1 交流變直流

在經過降壓步驟之後，所獲的之電流，不過是一個電壓較小的交流電源，如

果要獲得直流電源，則必須經過橋式整流器進行全波整流，交流經過橋式整流器

會得到一個脈動的直流電源，但因電壓脈動仍然太大，此電源不能供給一般的電

源電路來使用，接下來就必須將電源進行濾波。

濾波的過程是將上述的電源加上一個電容器即可，其電容器的大小會影響濾

波的效果，理論上濾波的電容越大越好，其濾波效果也越好，而且穩壓的能力也

越好。然而在現實的考量及製作成本的因素下，是不允許我們用超大容量的電容

製作，一般這種濾波電容器，其電容量選用在1000uF 至10000uF 之間就足夠應

20

付大多數的電子電路來使用，此外電容器的耐壓能力也必須特別注意。

2.7.3 穩壓IC 的選用

在經過變壓、整流以及濾波的步驟之後，應該會是獲得我們所需要的平穩電

壓，但實際上得到的電壓。透過三用電錶量得，並不是我們所要的+12V、+9V、

+5V 的電壓，所量得的電壓約在16.97V 左右，因此必須透過穩壓IC來改善此缺

點，IC 製造廠已經開發出許多積體化的穩壓電路的IC，例如：7805、7905（78XX

為正電壓使用，79XX 為負電壓使用，XX 表示該IC 所能提供穩定之電壓值）。

由於這些穩壓IC 只有三支接腳，因此使用起來相當簡單方便，如圖2.20所示為

可輸出1安培的78XX 及79XX 系列之穩壓IC 及接腳圖。

圖2.20 78XX 與79XX 系列之穩壓IC 圖及接腳說明

在圖2.21所示為一簡易的穩壓IC 電路圖，其中橋式整流器用來當作初步濾

波及穩壓用，所用的電容量越大，則所儲存之電荷越多，放電時電壓下降較小。

若選用電容量較小的電容，則所能儲存之電荷較少，放電時電壓下降較大，因此

欲得到較平穩的電壓＋Vin 與－Vin，需選用較大殿容量之電容器。其中C1 電容

可以減少因電源引線太長而造成振盪，而C2 電容可用來改善其暫態效應。輸入

電壓Vin 必須比Vout 高出0.8V 至3V 左右，才能確保電路安全穩定的工作，圖2.22

為電源供應器實體圖，圖2.23為加熱用之電源供應器，

21

圖 2.21 簡易穩壓 IC 圖

圖 2.22 電源供應器實體圖 5、9、12V

22

圖 2.23 加熱用之電源供應器 67V

23

第三章第三章第三章第三章 恆溫腔硬體架構及電路設計恆溫腔硬體架構及電路設計恆溫腔硬體架構及電路設計恆溫腔硬體架構及電路設計

3.1 系統硬體架構系統硬體架構系統硬體架構系統硬體架構

恆溫裝置架構為長、寬各為 20CM，高為 8CM，兩端圓型部分為風扇，一

邊抽氣，一邊吸氣，當溫度過高時可以使裝置內部溫度快速降低，架構中央以兩

L 型及鄭方型鋁片為加熱片，當溫度過低時，啟動加熱片可以使溫度均勻，達成

所需溫度，圖 3.1 是我們結構架構圖的尺寸大小、加熱片、風扇位置，圖 3.2 是

從上方鳥瞰的恆溫腔實際架構，圖 3.3 是從側面看的恆溫腔實際架構。

圖 3.1 結構架構圖

24

圖 3.2 恆溫腔實際架構

圖 3.3 恆溫腔實際架構側面圖

25

3.2 感測器電路設計感測器電路設計感測器電路設計感測器電路設計

圖 3.4 零位調整 SVR1 則用於抵補 0℃的電壓值，調整 SVR1 使 V1 的電壓

為 2.732V，則 0℃時，差動放大器的輸出 Vo為 0V。圖 3.4 的 OP3 組成差動放大

器，電壓增益為 R1/R2=100k/25.5k=3.921，由其比例關係得知，將差動放大器的

輸出電壓乘以 3.921 倍後輸入至 ADC0804，故 0℃至 127.5℃之間，差動放大器

的輸出電壓是在 0V 至 5V 之間，亦即每 0.03921V 的輸出代表溫度上升 1℃，就

是實際的溫度，其關係式為 T(℃)= Vo12×3.921。

圖 3.4 溫度感測電路圖

26

我們利用把感測器放入水中量測出溫度同時量測輸出電壓值，溫度和電壓值

大致差 3.921 倍，下表 3.1 是利用不同的水溫來實際操作。

差動放大率:100÷25.5=3.921 倍 表 3.1 溫度與電壓關係

溫

度

℃

24.0

28.0

35.4

39.2

47.4

55.4

59.5

67.7

73.4

80.4

電

壓

V

0.968

1.056

1.341

1.488

1.793

2.071

2.234

2.578

2.787

3.078

圖 3.5 實際感測電路圖

採用元件 HA17324 內部有 4 個 OPA，如圖 3.6 所示，可單電源工作，單電

源工作時 VCC,MAX=32V，雙電源工作時，VCC,MAX、VEE,MAX 為+16V、

-16V。此次專題量測使用單電源 Vcc=12V。

27

圖 3.6 HA17324 腳位圖

溫度感測及差動放大器電路圖，如溫度感測電路圖 3.4 所示，其中的 OP1（1/4

HA17324）和 OP2（1/4 HA17324）為電壓隨耦器、OP3（1/4 HA17324）為差動

放大器、AD590 為溫度感測元件、OP2 為零位調整、R1 為 25.5K 歐姆、R2 為

100K 歐姆。

溫度感測元件 AD590 溫度每增加 1℃時，其輸出電流會增加 1µA，即 AD590

的溫度係數為 1µA/℃，下為 AD590 的絕對溫度與輸出電流之關係式:

Io(µA)=273.2+△T （3-1）

Io為 AD590 輸出電流，△T 為攝氏溫度變化量，將 AD590 之輸出電流串聯一電

阻值 10KΩ的電阻，即可得知輸出電壓值，如下:

Vo=I0×10KΩ=(273.2+△T)×10(mA)=2.732(V)+0.01△T(V) （3-2）

並將輸出的類比電壓訊號以 ADC0804 轉換為電晶片可接受的 8 位元的數位訊

號，即可以數位訊號的判別來達到溫度的感測與控制。

28

3.3 8051 電路設計電路設計電路設計電路設計

如圖 3.7 我們所使用 AD590 的感測器訊號由 ADC0804 的第 7 支腳位進入，

將訊號由類比轉數位傳送到 89S51 內再經由程式的換算，由 port0 輸出高低電位

來控制 74LS47 和 74LS139 來顯示七段顯示器，圖 3.8 為我們本次專題的流程圖，

可從圖中了解到整個實驗做動的流程方式。

圖 3.7 8051 輸出電路

29

流程圖:

圖 3.8 流程圖

30

第四章第四章第四章第四章 實驗結果與討論實驗結果與討論實驗結果與討論實驗結果與討論

4.1 感測溫度校正感測溫度校正感測溫度校正感測溫度校正

我們一開始利用室溫的溫度來做 AD590 感測器和實際溫度的校正，調動可

變電阻，使得溫度與實際數值一樣，下表 4.1 是利用不同的水溫來實際操作感測

器與實際溫度之差異，經過實際量測及校正結果，AD590 量測到的溫度跟實際

溫度誤差為±1℃以內。圖 4.1 為 AD590 和實際溫度對照的圖。

圖 4.1 AD590 和實際溫度

表 4.1 AD590 和實際溫度比較 1 2 3 4 5 熱電偶 26.5℃ 33.7℃ 45.7℃ 53.4℃ 57.3℃ AD590 26.5℃ 33.5℃ 45.0℃ 53.0℃ 57.5℃

31

圖 4.2 感測器與實際溫度之差異

4.2 設定溫度啟動風扇和加熱盤設定溫度啟動風扇和加熱盤設定溫度啟動風扇和加熱盤設定溫度啟動風扇和加熱盤

當室內溫度欲維持在 26℃，溫度控制器並不是再溫度一超過 26℃，（例如

26.1℃），就令冷氣機的壓縮機通電運轉，也不適在溫度一低於 26℃（例 25.9℃），

就把壓縮機的電源切斷，因為啟動頻繁會縮短壓縮機的壽命，故本次專題上限設

為 4℃。

實驗ㄧ開始設定想要恆溫的溫度，此次實驗設定 38 度，ㄧ開始因低於 36

度故啟動加熱片，加到 38~42 度都屬於恆溫狀態，此時紅色 LED 發亮，當溫度

超過 42 度時，啟動風扇且關閉加熱片，使溫度處於恆溫範圍內。圖 4.3 為一開

始設定的比較溫度 38 度，圖 4.4 為 35 度時因為低於 38 度故電熱片持續加熱，

圖 4.5 當溫度超過 42 度時啟動風扇開始降溫且關閉電熱片，圖 4.6 為 38 度是恆

溫狀態內故紅色 LED 發亮，停止風扇與電熱片，使維持恆定的溫度。

32

圖 4.3 輸入比較溫度 38 度

圖 4.4 低於 38 度啟動加熱器

33

圖 4.5 高於 42 度啟動風扇

圖 4.6 等於 38 度時恆溫(紅色 LED 發亮)

34

恆溫實際恆溫實際恆溫實際恆溫實際量量量量測數據測數據測數據測數據

我們在頂部中央往電熱片方向每隔 2cm 挖ㄧ個洞，中間放 AD590，同時測

量溫度，越靠近電熱片溫度越高，量測紀錄如下表 4.2 所示，曲線圖如圖 4.7 所

示。

表 4.2 恆溫實際量測數據

設定溫度 AD590

量測溫度

距 sensor

0cm

距 sensor

2 cm

距 sensor

4 cm

距 sensor

6 cm

35 度 35.0 35.7 35.9 35.9 35.9

43 度 43.5 44.1 44.7 44.7 45.1

45 度 45 44.4 46.5 46.5 46.9

47 度 46.5 46.5 47.2 47.2 47.3

50 度 50.5 50.8 53.2 54.8 54.9

圖 4.7 恆溫實際量測數據曲線圖

35

恆恆恆恆溫溫溫溫單點多次單點多次單點多次單點多次量測數據量測數據量測數據量測數據

我們設定在 45 度恆溫狀態下，4 個點同時量測，做了六次實驗，來觀察數

據與平均值的誤差，量測紀錄如下表 4.3 所示，數狀圖如下圖 4.8~4.12 所示為

AD590、0 cm、2 cm、4 cm、6 cm 溫度狀況。

表 4.3 恆溫單點多次量測數據

設定溫度

45 度

第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 六次平均值

AD590

量測溫度

45 45.5 45.5 46.0 45.5 46.0 45.5

距 sensor

0 cm

44.4 46.6 46.5 46.1 45.7 46.2 45.9

距 sensor

2 cm

46.5 46.9 46.8 46.5 46.1 46.6 46.5

距 sensor

4 cm

46.5 47.4 47.1 46.7 46.6 46.9 46.8

距 sensor

6 cm

46.9 48.0 49.4 48.3 47.9 48.5 48.1

圖 4.8 AD590 量測溫度

36

圖 4.9 距 sensor 0 cm 單點多次

圖 4.10 距 sensor 2 cm 單點多次

37

圖 4.11 距 sensor 4 cm 單點多次

圖 4.12 距 sensor 6 cm 單點多次

38

第五章第五章第五章第五章 結論結論結論結論

我們所研製出來的恆溫回授控制裝置，具備恆溫指示燈、抽風裝置、加熱裝

置、溫度顯示功能，量測的溫度範圍 0℃到 127.5℃，實際量測的數據和恆溫情

形有些許誤差不夠精確，在這次專題的製作過程中，我們對溫度感測器的設計有

了基本認識，從中習得，對於專題的規劃、架構以至於思考、尋找協助的方式，

從中提升自我的能力。

藉由這個專題實驗，對 8051 晶片有更進一步的了解，也深深感受到它強大

的功能，專題實驗過程讓我受益匪淺。而且使用自己動手做出來的東西，有不小

的成就感，雖然目前只能做到這個程度，但是等我了解更多相關知識後，一定能

做出更多更好的東西出來。

39

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

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[2] 李怡銘，許桂樹, 陳克群，感測器原理與應用,全華科技圖書公司，2007

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[4] 李鴻鵬，8051/8052 原理與應用，全華科技圖書公司，1986

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[7] 陳文伎，數位邏輯設計 : 含數位邏輯實習，新文京開發，2007

[8] 黄慶璋，數位邏輯設計 : Digital logic design eng，全華科技圖書公司，2003

40

附錄附錄附錄附錄 感測器程式碼感測器程式碼感測器程式碼感測器程式碼

ORG 00H

ORL P1,#11111111B

NOTE:

DATA_BIT EQU P1.3

DATA_BIT_SECOND EQU P1.4

CLR P1.3

CLR P1.4

;====================

; 4X4KEYBOR

;====================

;第 1 列是否有按鍵閉合

LOOP:

MOV P3,#01111111B

JNB P3.3,KEY0

JNB P3.2,KEY1

JNB P3.1,KEY2

JNB P3.0,KEY3

;第 2 列是否有按鍵閉合

MOV P3,#10111111B

JNB P3.3,KEY4

JNB P3.2,KEY5

JNB P3.1,KEY6

JNB P3.0,KEY7

;第 3 列是否有按鍵閉合

MOV P3,#11011111B

JNB P3.3,KEY8

JNB P3.2,KEY9

JNB P3.1,KEYA

JNB P3.0,KEYB

S1: MOV A,30H

ADD A,#00100000B

MOV P0,A

S2: MOV A,34H

41

ADD A,#00010000B

MOV P0,A

AJMP LOOP

KEY0: ACALL DELAY

MOV 10H,#0

AJMP GET

KEY1: ACALL DELAY

MOV 10H,#1

AJMP GET

KEY2: ACALL DELAY

MOV 10H,#2

AJMP GET

KEY3: ACALL DELAY

MOV 10H,#3

AJMP GET

KEY4: ACALL DELAY

MOV 10H,#4

AJMP GET

KEY5: ACALL DELAY

MOV 10H,#5

AJMP GET

KEY6: ACALL DELAY

MOV 10H,#6

AJMP GET

KEY7: ACALL DELAY

MOV 10H,#7

AJMP GET

KEY8: ACALL DELAY

MOV 10H,#8

AJMP GET

KEY9: ACALL DELAY

MOV 10H,#9

AJMP GET

KEYA: AJMP START

KEYB: AJMP NOTE

GET:

JB DATA_BIT,SECOND_DATA

42

FIRST_DATA:

MOV A,10H

MOV 30H,A

SETB DATA_BIT

JMP END_RI_TI

SECOND_DATA:

MOV A,10H

MOV 34H,A

SETB DATA_BIT_SECOND

JMP END_RI_TI

END_RI_TI: AJMP LOOP

START:

MOV A,30H

MOV B,#10

MUL AB

MOV 31H,A

MOV A,34H

ADD A,31H

MOV B,#2H

MUL AB

MOV 32H,A

MOV A,32H

ADD A,#2

MOV 33H,A

ACALL ATOD

CLR C

SUBB A,32H

JNC CPAREHIGH

CLR P1.2

SETB P1.0

SETB P1.1

AJMP START

CPAREHIGH:

MOV A,B

CLR C

43

SUBB A,33H

JNC HIGHLIGHT

CLR P1.1

SETB P1.0

SETB P1.2

AJMP START

HIGHLIGHT:

CLR P1.0

SETB P1.1

SETB P1.2

AJMP START

;====================

; ALOG TO DIGITAL

;====================

ATOD:

CLR P1.7

SETB P1.7

WAIT:

JB P1.6, WAIT

DISPLAY:

MOV R4,P2

MOV A,P2

MOV B,#2

DIV AB

MOV R3,B

MOV B,#100

DIV AB

MOV R0,A

MOV A,B

MOV B,#10

DIV AB

MOV R1,A

MOV R2,B

CJNE R3,#1,POINT

MOV R3,#5

JMP SCAN1

44

POINT:

MOV R3,#0

SCAN1:

MOV A,R2

ADD A,#00010000B

MOV P0,A

CLR P0.6

ACALL DELAY

SCAN2:

MOV A,R1

ADD A,#00100000B

MOV P0,A

SETB P0.6

ACALL DELAY

SCAN3:

MOV A,R0

ADD A,#00110000B

MOV P0,A

SETB P0.6

ACALL DELAY

SCAN4:

MOV A,R3

ADD A,#00000000B

MOV P0,A

SETB P0.6

ACALL DELAY

MOV A,R4

MOV B,A

RET

;========================

; DELAY

;========================

DELAY:

MOV R6,#20

D:

MOV R7,#260

DJNZ R7,$

45

DJNZ R6,D

RET

END