传感器技术课程设计指导书

传感器技术与应用课程设计

指导书

刘德春

阿坝师范高等专科学校电子信息工程系

目 录

课程设计一：人体感应开关设计..............................................................................................- 4 - 1.1 设计任务书 ....................................................................................................................- 4 - 一、题目：人体感应开关设计 ..........................................................................................- 4 - 二、目的： .......................................................................................................................- 4 - 三、任务： .......................................................................................................................- 4 - 四、方案设计....................................................................................................................- 4 - 五、参考进度....................................................................................................................- 5 - 1.2 设计提示 ........................................................................................................................- 5 - 一、准备： .......................................................................................................................- 5 - 二、人体感应开关电路的设计思想 ...............................................................................- 6 - 1.3 人体感应开关参考设计 ..................................................................................................- 7 - 1.4 仿真调试 ........................................................................................................................- 8 - 1.5

实验电路板制作 .........................................................................................................- 9 -

一、正规电路板制作.........................................................................................................- 9 - 二、实际电路板焊接.........................................................................................................- 9 - 课程设计二：声光控开关设计与制作 .................................................................................... - 10 - 2.1 设计任务书 .................................................................................................................. - 10 - 一、题目：声光控延时开关电路设计与制作 .................................................................. - 10 - 二、目的： ..................................................................................................................... - 10 - 三、任务： ..................................................................................................................... - 10 - 四、方案设计.................................................................................................................. - 10 - 五、参考进度.................................................................................................................. - 11 - 2.2 设计提示 ...................................................................................................................... - 11 -

一、准备： ..................................................................................................................... - 11 - 二、声光控延时开关电路的设计思想 ......................................................................... - 11 - 2.3声光控延时开关参考设计 ............................................................................................. - 15 - 2.4 仿真调试 ...................................................................................................................... - 16 - 2.5 电路板焊接调试 ........................................................................................................... - 16 - 课程设计三：基于DS18B20与JHD12232D的温度测控器设计 ............................................... - 18 - 3.1 设计任务书 .................................................................................................................. - 18 - 一、题目：基于DS18B20与JHD12232D的温度测控器设计........................................... - 18 - 二、目的： ..................................................................................................................... - 18 - 三、任务： ..................................................................................................................... - 18 - 四、方案设计.................................................................................................................. - 19 - 五、参考进度.................................................................................................................. - 20 - 3.2 设计提示 ...................................................................................................................... - 20 - 一、准备： ..................................................................................................................... - 20 - 二、温度测控器的设计思想 ......................................................................................... - 20 - 3.3温度测控器参考设计..................................................................................................... - 23 - 1、硬件设计 ................................................................................................................... - 23 - 2、软件设计 ................................................................................................................... - 24 - 3.4 仿真调试 ...................................................................................................................... - 25 - 3.5 电路板硬件调试 ........................................................................................................... - 26 - 附录：课程设计报告要求....................................................................................................... - 27 -

课程设计一：人体感应开关设计 1.1 设计任务书

一、题目：人体感应开关设计 二、目的：

同学们学过传感器原理及应用课程后，已初步了解了常用传感器的工作原理、特点等理论知识，但还缺乏实际设计应用的能力。今安排的课程设计——人体感应开关设计，一种具有简单识别来人功能的语音门铃，适合在宾馆、商场等公共场所的门前安装使用。

希望同学们能在设计过程中学会从工程角度思考问题，熟悉本专业领域的传感器产品，学会对产品传感器的正确接口、信号调理、线性化、校准及常用的报警方法。

三、任务：

1，设计一种人体感应开关（语音迎宾器），它能够自动检测来人，当人经过迎宾器时自发出清晰响亮的“你好！欢迎光临！”的中文女声。

2，检测人的窗口很小，只要在其他物体上开8毫米左右的孔伸出检测孔就能正常工作。 3，检测窗口很隐蔽，不像红外透镜、微波传感器的天线一样引人注意，可以让来人很难发现机关，增加趣味感和防破坏。

4，产品价格非常低廉便于普及和大量生产。

5，产品的语音内容是固定不变的，无法定做或者更改内容。当然如果换成可录放语音电路，或者和其他电路组合可以实现其他用途。

6，利用PROTEUS等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件和PCB文件）。

7，完成课程设计报告。

四、方案设计

人体感应开关有2种分光感和红外感应，从以下方案中选择一种方案，设计该产品。 1：光感

原理：光感迎宾器是利用人体反射光线，光敏电阻得到足够大变化的光线，电路产生变化电流触发电路，灵敏度跟物体反射率有关。

注：光感迎宾器与环境光照度有关，黑暗情况下不能正常使用 2：红外感应

原理：迎宾器原理：红外热释电传感器；动作方式：被动式。本身不发射任何信号，故不产生有害电磁干扰，人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。 请同学分析以上两种方案，选择一种方案，满足设计要求。

五、参考进度

1. 查阅并自学相关传感器资料——1天。至少要查到光敏电阻和热释电红外传感器的原理、特点及典型应用方法。

2. 查阅/自学电阻、电容、钮扣电池、语音芯片的使用方法——2天。至少要查到标称电阻电容值的读数方式，极性判断方法；三极管8050、945的极性判别和使用特点；语音芯片SD8917的原理和使用方法。

3. 人体感应开关的电路图设计——3天。

4. 计算机仿真——2天（包括PROTEUS和PROTEL）。 5. 制作调试 ——2天。

6. 撰写设计报告——4天。平时一定要注意搜集/记录资料，设计计算、实测数据不可缺少。

1.2 设计提示

一、准备：

1．按任务书要求查阅传感器资料。

2．重点学习一种音乐芯片SD8917的内部结构原理，考虑如何用普通SPEAKER仿制和用PROTEUS仿真。

3．光敏电阻的使用方法。

二、人体感应开关电路的设计思想

人体感应开关设计思想如图1.1所示。首先有人经过时，人的身影照应到光敏电阻它的阻值发生变化，电源稳压电路的电流得到提高，经过

IC集成电路，由内部运算处理电路

得到稳定可靠的电压值来判断出人的进出，然后报告给语音功放电路，并发出声音。

人的身影经过 光敏电阻感应接收 内部运算处理电路 报告给语音电路 判断人的进出

图1.1 人体感应开关设计思想

1，光敏电阻感应接收参考电路

光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。

光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。

当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。

请同学利用万用表分别测量光敏电阻的亮电阻与暗电阻阻值，在PROTEUS仿真中利用测量值仿真光敏电阻阻值。

图1.2 光敏电阻就收电路

光敏电阻感应接收电路如图1.2所示，当人经过人体感应开关时，光敏电阻阻值会发生改变，从而控制三极管Q1，Q2的导通与截止。

2，SD8917A特性及典型应用 语言芯片SD8917A的封装和典型应用如图1.3所示。 （1）、SD8917A的功能叙述 ● 2 按键正脉冲触发 ● 工作电压范围宽：2.4V～5V ● 直接驱动 8Ω喇叭

● TG3:(英语) Hello，welcome ● TG2:(中文) 你好，欢迎光临

（2）、SD8917A电气规格

图1.3 SD8917A封装及典型应用

1.3 人体感应开关参考设计

人体感应开关的整体设计如图1.4所示，该电路原理如下：

利用人走过感应开关时会产生一个阴影的特点，通过光敏电阻对光线变化信号的接收，作为本制作的传感器。制作采用电池供电，通电后系统进入等待状态。当有人经过感光器件时，由于人的身体会挡住光线，若原来有一定的光线照射在光敏电阻RG1上，则RG1表现出一个电阻值，当人体挡住一部分照射于光敏电阻的光线时，光敏电阻接收到的光线强度发生变化，这个变化经C2耦合，经Q1等组成的高增益放大后，输入IC的反相输入端，这个信号与同相输入端输入的信号在IC内部经运算放大处理后，形成一个控制信号，驱动IC内部的音频发生电路工作，产生“您好，欢迎光临！”的音频信号，使人耳能听到这句问候语。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。

图1.4 人体感应开关整体设计

1.4 仿真调试

利用仿真来调试电路，已经是现代电子系统设计开发产品的必由之路了。通过仿真可以检查电路的工作点、可以校准仪表、测量误差，获得设计报告所需的一切数据，还可以看到人体感应开关实际输出的效果。我们希望同学们通过仿真实践，还要学会常用电子仪器的使用，学会设计检修各种电路的方法。

在利用PROTUES仿真时，要注意仿真与实际结合。在PROTEUS中需要注意光敏电阻参数的设置与实际光敏电阻的阻值一致，三极管8050，954需要利用相应的三极管代替，语音芯片和喇叭用SPEAKER代替。仿真要具有实际价值。

1.5 实验电路板制作

一、正规电路板制作

当仿真调试通过后，就可以用PROTEL设计印刷电路板图。这时首先要根据印板大小/形状、操作/调试/出线方便，有可能的话尽量按信号流向，高频或高输入阻抗时还要考虑抗干扰这些因素，认真将集成电路、电位器、进出端子等大件及固定孔位置布置好，即所谓“布局”工作做好。集成电路定位槽方向应保持一致，不要贪图走线方便而颠倒方向。然后，以各集成电路为中心，按电路图将电阻电容等小元件和每一根连线连好：普通连线越短越好；穿过IC管脚间的连线不要超过一根；双面排线时，上层尽量都走水平线，下层尽量都走垂直线，以避免形成绕不开的交叉线；单面排线时，可在上层（元件面）安排很短的“跳接线”，以避开线路交叉造成的短路故障；电源和地线尽量走四边，地线面积尽量大些。存盘后即可送加工厂，拍照、腐蚀、钻孔，涂上阻焊涂料，丝印上标注文字，即成为非常美观好用的成品印刷电路板。

二、实际电路板焊接

早期采用可反复拔插元件的“面包板”，但因接触不良，故障很多，现已淘汰。现多采用均匀密布焊盘的“通用印刷电路板”，进行实验制作。其基本布局和连线的原则同上，不再赘述。

由于通常实验板面积较大，故以集成电路为中心布局RC的同时，还提倡元器件尽量平放，不要竖放，不要拥挤。尽量按电路原理图中该元件的相对位置布局，以增强电路板的可读性。同时最好在电路板的引出线/接线端子及电位器旁贴上标签，以便识别。对于实验中要经常调试的器件，还要兼顾调节方便来确定位置。

在实际焊接过程中，需要注意三极管和电容的极性，语言芯片的引脚数的判断方法。

课程设计二：声光控开关设计与制作 2.1 设计任务书

一、题目：声光控延时开关电路设计与制作 二、目的：

1，了解声光控延时开关电路的组成及工作原理。

2，熟悉驻极体话筒和光敏电阻器的特性，掌握检测方法及其应用电路。 3，学习声光控延时开关电路设计。

三、任务：

1，具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音时照明灯也不亮，光线较暗、有声音时照明灯点亮。

2，具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时照明灯点亮，声音消失后延时照明一段时间后自动熄灭。

3，要求电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现时，照明灯应重新点亮一段时间。 4，价格便宜，要有市场竞争优势。

5，利用PROTEUS等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件和PCB文件）。

6，完成课程设计报告。

四、方案设计

声光控开关设计方案可以采用以下三种。

方案一，采用驻极体话筒检测声音，光敏电阻检测光照强度，利用集成芯片NE555控制延时长短。

方案二，采用驻极体话筒检测声音，光敏电阻检测光照强度，利用单片机控制延时长短（同时，单片机还可作其它控制，往往改方案能做成智能声光控开关）。

方案三，采用驻极体话筒检测声音，光敏电阻检测光照强度，利用R、C的充放电时间控制照明灯的延时长短。

请同学分析以上两种方案，选择一种方案，满足设计要求。

五、参考进度

1.

查阅并自学相关传感器资料——1天。至少要查到光敏电阻和驻极体话筒的原理、特点及

典型应用方法。

2.

查阅/自学电阻、电容、二极管、三极管、可控硅的使用方法——2天。至少要查到标称电

阻电容值的读数方式，极性判断方法；三极管9014、9015的极性判别和使用特点；稳压二极管和可控硅PCR406的使用方法。

3. 4. 5. 6.

人体感应开关的电路图设计——3天。

计算机仿真——2天（包括PROTEUS和PROTEL）。 制作调试 ——2天。

撰写设计报告——4天。平时一定要注意搜集/记录资料，设计计算、实测数据不可缺少。

2.2 设计提示

一、准备：

1．按任务书要求查阅传感器资料。

2．重点学习驻极体话筒和单向可控硅的内部结构原理，考虑如何用PROTEUS仿真。 3．光敏电阻、驻极体话筒，可控硅的使用方法。

二、声光控延时开关电路的设计思想

声光控延时开关实现在白天呈关闭状态，只有在晚上且存在声响情况下（如人的脚步声等）才开启，开启后延时一段时间后又能自动关闭。这种开关广泛应用于楼梯、走廊、公厕等公共场合作照明灯自动控制开关。

声光控延时开关电路方框组成如图2.1所示，包括声音检测、亮度检测、判别电路、延时电路和开关电路等几个主要部分。

声音检测通常由驻极体话筒或高灵敏度的压电陶瓷片完成。亮度检测由光敏电阻器完成。判别电路综合检测信号，符合预定条件（晚上且存在声响情况）输出控制信号开启开关。延时电路在开关开启后延时预定时间，输出控制信号关闭开关。开关常用可控硅或继电器。

1，整流电路

图2.1 声光控延时开关电路组成方框图

整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。我们日常用的220V加在4个二极管组成的单向桥式整流电路之间，220V的交流电经过整流之后送到100K电阻处，通过100K的电路进行限流，9.1V的稳压管进行稳压和47μf的电容滤波，从而得到7.5V的电压，以保持其后电路的正常工作。

图2.2 整流部分电路图

2，声控电路

该课程设计中采用的声控电路如图2.3所示，其核心器件为驻极体话题。

驻极体话筒简称ECM，通称MIC（Microphone），是一种常用的能将声音信号转换成电信号的声—电转换器件。它的突出特点是体积小、重量轻、结构简单、使用方便、寿命长、频响宽、灵敏度高，且价格也比较低廉。因而被广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控开关等电子电路中。

驻极体话筒的核心器件是驻极体振动膜。它实际上是一种经永久性极化处理的电介质。其制作原理是，将一片极薄的塑料膜片的一面蒸发上一层纯金薄膜，然后将其置于高压电场之下驻极，使两面分别驻有能长期保持的异性电荷。膜片的蒸金一面向外，与金属外壳相连通，膜片的另一面与金属极板之间用很薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间便形成了一个电容。当驻极体膜片受到声波作用而振动时，就引起电容两端的电场发生变化，从而产生随声波变化的交变电压信号。

驻极体的输出阻抗值很高，约几十兆赫以上。因此，使用时不能直接与音频放大器匹配，需加一级阻抗变换器，将高阻抗变为几百欧或几千欧的低

图2.3 声控电路

阻抗。通常在驻极体话筒产品内部加装有由低噪声结型场效应管构成的阻抗变换器，形成三端话筒。

图2.4 驻极体话筒的结构外形和电路符号

图2.4是驻极体话筒的实物结构分解、接线、外形和电路符号。

三端驻极体话筒应用电路有两种接法，分别可接成源极输出或漏极输出方式。

不少驻极体话筒产品内部没有加装场效应管，两个输出接点可以任意接人电路，但最好把接外壳的一点接地，另一点接人由场效应管组成的高阻抗输入前置放大器。

在选用驻极体话筒时，重点应注意其灵敏度的高低。驻极体话筒的灵敏度通常用白、蓝（绿）、黄、红等色点来分挡，白点灵敏度最高，红点最低。有的话筒则以防尘罩的相应颜色来表示灵敏度，也有的用与型号有明显区别的A、B、C等字母表示，A为最低灵敏度，顺序逐次类推。

国产驻极体话筒的典型产品有CRZ2-9、CBZ2-11和ZCH-12等型号。其中CRZ2-9的外形尺寸为Φ1.5×19（mm），引出线使用的是屏蔽线，为两端引线方式，屏蔽层是正极。它的电压灵敏度为0.5mV/mPa，频响范围为50~10 000Hz，输出阻抗为1kΩ。

驻极体话筒的检测包括电阻测量和灵敏度测量。

电阻测量时，将万用表置于R×100或R×1k挡，红表笔接驻极体话筒的芯线或信号输出点，黑表笔接引线的金属外皮或话筒的金属外壳。一般所测阻值应在500Ω~3kΩ范围内。若所测阻值为∞，则说明话筒开路，若测得阻值接近0，则表明话筒有短路性故障。如果阻值比正常值小得多或大得多，都说明被测话筒性能变差或已经损坏。

灵敏度检测方法是：将万用表置于R×100挡，将红表笔接话筒的负极（一般为话筒引出线的芯线），黑表笔接话筒的正极（一般为话筒引出线的屏蔽层），此时，万用表应指示出某一阻值（例如1kΩ），接着正对着话筒吹一口气，并仔细观察指针，应有较大幅度的摆动。万用表指针摆动的幅度越大，话筒的灵敏度越高，若指针摆动幅度很小，说明话筒灵敏度很低，使用效果不佳。若吹气时发现指针不动，可交换表笔位置再次吹气试验，若指针仍然不摆动，则说明话筒已经损坏。另外，如果在未吹气时，指针指示的阻值便出现漂移不定的现象，则说明话筒稳定性很差，这样的话筒是不宜使用的。

对三端驻极体话筒，只要正确区分出三个引出线的极性，将黑表笔接正电源端，红表笔接输出端，接地端悬空，采用上述方法仍可检测鉴定话筒的性能优劣。

3，光控电路

本课程设计的光控电路如图2.5所示。

光敏电阻的检测方法：检测光敏电阻时，将万用表置于R×1k挡，两表笔分别任意各接光敏电阻的一个引脚，然后分别进行暗阻、亮阻和灵敏性测试。

检测暗阻：用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近∞。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏。

检测亮阻：将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小。此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至为∞，表明光敏电阻内部开路损坏。

检测灵敏性：将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的透光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已损坏。

4，延时开关电路

开关延时电路如图2.6所示，其核心部件为可控硅PCR406。 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流Ic2=β2Ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ib1=Ic2。此时，电流Ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流Ic1=β1Ib1=β1β2Ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使Ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能

够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

图2.6 延时开关电路 图2.5 光控电路

图2.7 单向可控硅等效图

图2.8 单向可控硅原理图 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，如表2.1所示。 表2.1 可控硅导通和关断条件表 状态 条件 说明 两者缺一不可 从关断到导通 1、阳极电位高于阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流 维持导通 1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流

两者缺一不可 任一条件即可 2.3声光控延时开关参考设计

声光控延时开关的整体设计如图2.9所示，该电路原理如下：

当有声音信号时，驻极体话筒MIC将声音信号接收后经三极管①放大，使得其信号的大小能够触发三极管②。当有光照照在光敏电阻RGM上时，其阻值变小，对直流控制电压衰减很大，导致三极管②、三极管③和二极管组成的电子开关截止。而1μF电容中无电荷，使单向可控硅PCR处于截止状态，灯泡不亮。

→[结论1]有声音有光时，灯泡不亮。

同理：当有声音信号传入而又无光照射在光敏电阻RGM 时，RGM阻值很大，对直流控制电压衰减很小。三极管②、三极管③和二极管组成的电子开关导通，使1μF电容充电。由于充满电时间很迅速，电容充满电荷后通过2MΩ电阻把直流触发电压加到PCR控制端，PCR导通，灯泡点亮。当电容中电荷放至零时，PCR回复截止状态，灯熄灭。

→[结论2]有声音无光时，灯泡亮。

当灯泡点亮过程中有新的声源出现时，电容会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。如果需要改变灯亮时长，只需更改电容或者电阻的参数即可。

图2.9 声光控延时开关电路参考设计

2.4 仿真调试

在利用PROTUES仿真时，要注意仿真与实际结合。在PROTEUS中需要注意光敏电阻参数的设置与实际光敏电阻的阻值一致，三极管9014，9015需要利用相应的三极管代替，电源采用220V的交流电。可控硅也需采用相应的元件代替。仿真要具有实际价值。

因为PROTEUS中没有驻极体话筒的仿真模型，可以采用单刀双掷开关模拟。

2.5 电路板焊接调试

1，在进行电路板焊接之前，应先测试元器件的性能。 （1）、驻极体话筒的测试

按实验原理中介绍驻极体话筒的检测方法，用万用表测试驻极体话筒的电阻和灵敏度，并根据所测数据，判断驻极体话筒的的好坏。测量数据记入表2.2。

（2）、光敏电阻的测试

按实验原理中介绍光敏电阻的检测方法，用万用表测试光敏电阻的暗阻、亮阻和灵敏度，并根据所测数据，判断光敏电阻的的好坏。测量数据记入表2.3。

表2.2 驻极体话筒测试数据记录 万用表型号： R× Ω档 单位： Ω 电阻测量 灵敏度测量（向话筒吹气时）

表2.3 光敏电阻测试数据记录 万用表型号： R× Ω档 单位： Ω

暗 阻 亮 阻 灵敏度测量 结 论 红笔接负极（芯线） 红笔接正极（屏蔽层） 结 论 注：测量暗阻，以黑纸片将光敏电阻的透光窗口全部遮住时测量。亮阻则以自然光环境下测量。 2，手工焊接后，进行调试

实际调试；将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时。将万需表两表笔接触电路板相应处即可。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住。将AB分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体。这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮。说明光敏电阻完好，这时表示制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。 3，常见问题

⑴ 晚上声音小时声光控制灯不亮，当声音很大时灯才亮。

⑵ 晚上声光控制灯不时的发光，这一般是声信号输入电路灵敏度太高所致。 ⑶ 白天有声音时声光控制灯便亮。 ⑷ 晚上有声音也不亮。 ⑸ 白天晚上声光控制灯长亮。

⑹ 灯亮的延时时间不合适。若灯亮的延时时间缩短了或者嫌延时时间不够。 请分析以上常见问题的原因，并在课程设计报告中反应出来。

课程设计三：基于DS18B20与JHD12232D的温度测控器设计 3.1 设计任务书

一、题目：基于DS18B20与JHD12232D的温度测控器设计 二、目的：

运用单片机、传感器课程等相关知识，根据题目要求进行控制电路原理设计、电路板设计与制作、控制软件设计、系统调试，从而加深对本课程知识点的理解，使学生综合应用知识能力、设计能力、调试能力及报告撰写能力等得到显著提高。

三、任务：

利用STC89C51系列单片机、DS18B20数字温度传感器和JHD12232D液晶显示器，设计温度显示器。

该温度显示器具有如下功能：

（1）自动显示当前温度。用JHD12232显示器显示当前实时测量的温度，温度显示值保留到小数点后两位。

（2）设置温度上下限报警功能。为实现该功能，系统可以设置4个功能键，即：S1—复位键、S2— 设置键、S3— 数字加键、S4— 数字减键。通过对数字加键或数字减键操作，可以对设定上限或下限温度每次操作增加或减小0.5度；通过S2的操作次序确定当前的显示和校正内容，由S3和S4进行校正。S2可以有3种状态，对应调整内容见表3.1。

表3.1 S2状态表

S2的操作次序 调整内容 0 1 2 正常显示温度 上限调整 下限调整 （3）温度上下限调整也可通过串行通信接口来实现。 （4）当前温度可通过串行通信接口送给计算机

（5）温度超限报警。当温度超过设定的上下限时，系统进行声音报警和显示报警。 （6）可根据自己的想法设计本课题。

（7）利用PROTEUS等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件和PCB文件）。

（8）完成课程设计报告。

四、方案设计

共提出三种方案：方案一基于热敏电阻的温度计设计；方案二为基于SHT71的数字温度计设计；方案三是基于DS18B20的数字温度计设计。

1，方案一基于热敏电阻的温度计设计

方案一主要由温度传感器、A/D转换电路、单片机控制电路、数码显示电路组成。采用合肥三晶电子有限公司生产的SJMFE-347-103F型热敏电阻。采集的模拟温度值输入A/D转换电路，A/D转换采用LM331型U/f变换器来实现。U/f变换器把电压信号转换为频率信号。由热敏电阻的电阻温度特性表可以求出每个温度点所对应的UIN，再由公式FOUT=256*UIN计算出每个温度点所对应的输出频率，进而由单片机处理显示被测量的温度值。温度信号处理由于热敏电阻是非线性的器件，所以温度与频率输出成非线性，需要补偿温度。单片机利用查表法实现温度补偿。所谓查表法是把事先计算或测量的数据按一定的顺序排列成表格的形式，固化在单片机内。只要测量出LM331的频率值，就可以通过查表法准确的得出环境的温度值。再交由单片机驱动数码管显示温度。这样就实现了温度的采集与显示。

2，方案二基于SHT71的数字温度计设计

方案二主要由数字温度传感器、单片机控制电路、数码显示电路组成。SHT71将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上。SHT11先利用传感器产生温度信号；经放大送至A/D 转换器进行模数转换、校准和纠错；由2线接口将信号送至微控制器；再利用微控制器完成相对湿度的非线性补偿和温度补偿。SHT71测量过程包括4 个部分:启动传输、发送测量命令、等待测量完成和读取测量数据。在启动传输时序之后, 微控制器可以向SHT71 发送命令，SHT71则通过在数据传输的第8个SCK时钟周期下降沿之后,将DATA拉低来表示正确接收到命令,并第9个SCK时钟周期的下降沿之后释放DATA线(即恢复高电平)，SHT71则通过拉低DATA表示测量结束,并且把测量结果存储在内部的存储器内,然后自动进入空闲状态,等微控制器执行完其他任务后再来读取。测量数据读取前,微控制器先重新启动SCK,接着2字节的测量数据和1字节的CRC 校验将由SHT71传送给微控制器。2字节的测量数据是从高字节的高位开始传送,并以CRC 校验字节的确认为表示通信结束。微控制器需要通过拉低DATA来确认接收的每个字节,若不使用CRC校验位则微控制器可以在接收完测量

数据的最低位后保持DATA为高电平来终止通信。单片机只需将读取传输的数据通过驱动数码管显示即可。

3，方案三基于DS18B20的数字温度计设计

方案三主要也由数字温度传感器、单片机控制电路、LCD显示电路组成。DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术。它是通过计数时钟周期来实现的。低温度系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数。计数器被预置在与- 55 ℃相对应的一个基权值。如果计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零,表示测量的温度值高于- 55℃,被预置在- 55 ℃的温度寄存器的值就增加1℃,然后重复这个过程,直到高温度系数振荡周期结为止这时温度寄存器中的值就是被测温度值,这个值以16 位形式存放在便笺式存贮器中,此温度值可由主机通过发存贮器读命令而读出,读取时低位在前,高位在后。斜率累加器用于补偿温度振荡器的抛物线特性。读出的二进制数可以直接转换为十进制由单片机驱动LCD显示输出。

请同学分析以上三种方案，进行方案论证，选择一种方案，满足设计要求。

五、参考进度

1. 法。

2.

查阅/自学芯片DS18B20，STC89C51，JHD12232D的使用方法——7天。至少要查阅查阅并自学相关传感器资料——1天。至少要查到温度传感器的原理、特点及典型应用方

DS18B20的工作原理和使用方法。JHD12232D的显示原理和使用方法。（学会使用字模软件）

3. 4. 5. 6.

温度测控去的电路图设计——1天。

计算机仿真——14天（包括PROTEUS和PROTEL）。 制作调试 ——2天。

撰写设计报告——4天。平时一定要注意搜集/记录资料，设计计算、实测数据不可缺少。

3.2 设计提示

一、准备：

1．按任务书要求查阅传感器资料。

2．重点学习DS18B20和JHD12232D的内部结构原理，考虑如何用PROTEUS仿真。 3．温度传感器和单片机结合起来。

二、温度测控器的设计思想

系统的整体设计方案如图3. １所示。本系统采用DS18B20检测温度，通过四个按键设置系统的报警温度以及复位，JHD12232D显示提示消息和温度值，蜂鸣器报警。

系统通电后，液晶显示器依次显示：“欢迎使用该系统”，“先设置最高温度”，“请按下设置键”。等待用户第一次按下设置键，通过“增加”“减小”按键设置系统报警最高温度，同时在液晶显示器上

显示：“最高温度为XX℃”，“完成请按设置键”。等待用户第二次按下设置键，液晶显示器显示：“现设置最低温度”，用户此时通过“增加”“减小”按键设置最低温度，在液晶显示器上显示：“最低温度为XX℃”，“完成请按设置键”。等待用户设置好最低温度，第三次按下设置键后，液晶屏幕上显示：“设置已完成”，“当前温度为XX℃”。当温度低于最低温度值或者高于最高温度值，报警器报警，单片机控制其它执行机构采取相应措施，同时在液晶显示器上提示“温度过低”，或者“温度过高”。

四个按键

1 温度检测模块

DS18B20是美国DALLAS公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统温度传感器相比，它能直接读出被测温度值。它的测量范围为-55～125℃，可编程设置９-12位的A/D转换精度，对应的温度分辨率分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。在转换精度为12位时，转换时间小于等于750ms。当DS1820上电后，对其进行初始化，发送温度转换命令“44H”，然后芯片就可读温度，读出的温度存储在８位寄存器ＴH和ＴL中，如图3.2所示。

图3.1 温度测控器整体设计思想

控制模块 DS18B20温度检测 STC89C51RC 报警器 JHD12232D液晶显示 ＴＬ ＴＨ 图3.2 温度寄存器格式

当ＴH的高五位为０时，温度值大于零，实际温度值为：

Temprature?(((T?TH)??8)|TL)10?0.0625 ?C

其中，T为16位二进制变量。( )10表示把二进制数字转化为十进制。 当ＴH的高五位为１时，温度值小于零，实际温度值为：

Temprature?((((T?TH)??8)|TL)?1)10?0.0625 ?C

~例如测得TH?11111110，TL?01011010,经过式(2)，计算实际温度过程为：

~T1?(11111110 00000000|00000000 01011010)?1?00000001 10100110 87521T??(1?2?1?2?1?2?1?2?1?2)?0.0625??26.375?C

单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位；复位成功后发送一条ROM指令；最后发送RAM操作指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。单片机把温度寄存器的值读出来，经过公式（1）、（2）的运算，就得到当前温度是实际值。 2 液晶显示模块

JHD12232D是由JHD公司生产的一种小型液晶显示器，不仅可以显示字符，汉字，数字，还可以显示图形，具有滚屏功能，价格便宜，性能稳定。JHD12232D液晶显示器为122×32点阵，内部由SED1520驱动，可以显示2行16×16点阵的汉字，或者显示２行8×16点阵的ASCAL码，或者显示４行大小为8×8的字符。由于一个SED1520只能驱动61×32列点阵，故需要左右两块SED1520，分别驱动列地址0-60（主控），61-121（从控），共122列。同时，JHD12232D共32行，分为４页：Page０，Page１，Page２，Page3。由列地址和页地址就可确定字符显示的位置，如表3.2所示。JHD12232D本身不带字库，需要自定义字库，每页上的每列有８个点阵，按照从下到上的顺序构成，由此可以设计JHD12232D的字库。为方便获得各种字库，可以采用字库生成软件，比如字模软件Zimo21，只需输入所需要的汉字、字符或图片，就可得到相应的字库。

表3.2 JHD12232D位置表 页地址 Page0 Page0 Page1 Page1 Page2 Page2 Page3 Page3

列地址 0~60 61~121 0~60 61~121 0~60 61~121 0~60 61~121

字符位置 第一页左边 第一页右边 第二页左边 第二页右边 第三页左边 第三页右边 第四页左边 第四页右边

JHD12232D显示原理：首先由字模软件生成字库，把JHD12232D初始化，按照页码从Page0到Page3，列地址从０到121的顺序显示字库。一个16×16的汉字，需要Page0，Page1（或者Page2，Page3）两页，Page0（或者Page2）显示汉字上半部分，Page1（或者Page3）显示汉字下半部分。或者一幅122×32的图片，分为４页显示，每页显示图片的1/4。 3 单片机控制模块

系统用STC89C51RC单片机作为主控制芯片。该芯片是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗单片机。其指令代码完全兼容传统8051单片机，工作频率范围为0-40MHz，相当于8051的0-80MHz，内部有４K程序空间，片上集成1280字节RAM。系统集成看门狗技术，用户程序用ISP/IAP机制写入，一边写一边校验，无读出命令，彻底无法解密。与传统的51单片机相比，该芯片价格便宜，性能稳定，同时完全能够满足温度检测与控制的要求，既提高了稳定性，安全性，也降低了成本。 4 按键模块

系统中共用了四个按键，其中一个作系统复位用，另三个按键为功能按键，设置报警温度的最高值和最低值，直接接在单片机的I/O口上。这四个按键的具体功能如表3.3所示。

表3.3 按键功能表

按键 按键１ 按键２ 按键３ 按键４

5 报警和控制模块

当检测温度超过设定温度值时，单片机控制控制系统就采取相应的操作。比如在智能家居中，当温度高于设定值时，单片机控制空调的制冷系统开始工作；当温度低于设定值时，控制空调的制热系统工作。在恒温水龙头系统中，单片机可控制冷水和热水的混合比例，使水达到恒温[3]。同时，报警器发出报警信号。当检测到的温度在设定值范围内时，报警器停止报警，控制系统也不采取相应措施。

功能

单片机系统复位

设置报警最高、最低温度的开关（按一次设置最高温度，按两次设置最低温度） 温度增加１℃ 温度减少１℃

3.3温度测控器参考设计

1、硬件设计

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图3.3所示。

图3.3中有四个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LCD将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。

图3.3 中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复

位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。

2、软件设计

整个软件系统采用模块化设计，主要包括DS18B20温度检测和处理，JHD12232D显示，报警温度上下限设置，报警及智能控制等。其中DS18B20温度检测和处理包括：DS18B20初始化子程序，DS18B20读字节子程序，DS18B20写字节子程序，DS18B20读温度子程序，DS18B20温度转化子程序。JHD12232D显示主要包括： JHD12232D主控发送命令子程序，JHD12232D主控发送数据子程序，JHD12232D从控发送命令子程序，JHD12232D从控发送数据子程序，JHD12232D初始化子程序，JHD12232D列地址设置子程序，JHD12232D页地址设置子程序，JHD12232D静态显示子程序，JHD12232D动态显示子程序。报警温度上下限设置包括：报警温度设置提示子程序，键盘扫描子程序，报警温度上限调整子程序，报警温度下限调整子程序，报警温度动态显示子程序。报警及智能控制包括：温度对比子程序，报警子程序等。系统主程序流程图如图3.4所示。

图3.3 温度测控器硬件参考电路

3.4 仿真调试

调试方法：写好一段程序后不能急于上机调试，而是先进行逻辑分析、可行性分析。用KeilμVision 4软件进行调试，不能出现错误，警告可以有，只要不影响生成HEX文件即可。理解其实现的功能，预想程序应该出现的结果。先进行软件仿真，出现错误马上修改，不断进行。先一个模块一个模块的仿真，准确后再连线总体仿真。仿真完后出现预期的效果后再下载程序到硬件进行验证，往往还有问题，还得反复修改，编译，调试，下载，验证。可以一个模块一个模块的下载调试这样就可以知道问题的所在。采用Proteus和Keil结合仿真的可以大大简化软、硬件电路的设计过程。

KeilμVision 4是Keil公司关于8051系列MCU的开发工具，可以用来编译C源码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等，是一种集成化的文件管理编译环境。它集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能，是相当强大的开发工具。实验中我们采用KeilμVision 4来对我们编写的程序进行编译、链接和生成HEX文件。在下载程序出错时进行必要的调试，再下载验证。同时采用Proteus和Keil结合仿真的方法对设计的单片机测温系统进行了虚拟仿真和性能检测，得到了比较好的仿真结果和分析结果。结果证明采用Proteus和Keil结合仿真的可以大大简化硬件电路的设计过程，可以降低单片机系统的开发成本、提高效率和开发速度，具有很好的实际应用和指导意义。

软件仿真的优势在于，可以设置断点、单步运行等，这在用实物调试是不能实现的，通过软件仿真，可以知道程序哪儿出错了，便于及时改正。若直接下载在芯片中用实物调试，只能知道程序

错了，只能去盲目查找程序的错误之处。在程序的编写之中难免会出现一些无法错误，用KeilμVision 2编译会得到及时的提示，方便立即修改，大大缩短了设计的时间，提高设计效率。

在设计初期，我们通过软件仿真发现了很多错误，比如语法错误，乱码，字符闪烁问题，后来这些问题都一一克服，语法错误一样是缺少括号，乱码是由于共阴、共阳译码的错误，还有就是由于人眼的“滞留”问题，必须要位选，在进行译码。字符闪烁一般是由于延时过短等问题。这些问题都是通过软件调试找出来的，从而说明软件调试的必要性。

3.5 电路板硬件调试

Proteus是英国Labeenter electronics公司研发的EDA工具软件。Proteus不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界最先进、最完整的多种型号微控制器系统的设计与仿真平台。它真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整电子设计与研发过程。Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术，可以对基于微控制器的设计连同所有的外围电子器件一起仿真。由于我们的设计外围电路比较简单实现的功能叶不是很复杂，所以在Proteus仿真时我们是将主程序直接下载到芯片中仿真，主要是验证是否采集到温度还有温度是否显示正确。仿真可以在实物没有出来前进行先期的验证。最后加上我们的扩展功能一起仿真调试。需要说明的是仿真正确不代表最后的下载程序不会出错，我们在下载程序的时候也遇到一点小问题。

在实物做出来之前，我们采用Proteus仿真调试，通过将软件编译通过的程序下载到画好的仿真图中，这样便于检查软、硬件设计的不足。但是Proteus仿真也存在不足的情况，仿真模拟的是理想的环境，不会差生误差但是实际的测试会出现一定的误差。通过硬件仿真可以查找出硬件设计的不足。

附录：课程设计报告要求

一、原则

设计报告文字务求精练，一般为10页左右。报告一律用WORD五号字体打印。你必须在有限的篇幅下，选你认为最关键，最有心得，最能体现你的水平的东西来写，不要写成流水帐，也不能写得过于空洞。

每只表的设计报告，一般应包括：

1、系统方案讨论：每个设计应最少提供二种方案，加以分析、选择。

2、传感器及单元电路(IC)原理简述：应尽量简单扼要，过多或关键不清均要扣分。

3、详细电路图：所有电阻电容要有阻（容）值；集成电路要有型号，其所连管脚要标管脚编号（最好还要标功能符号，以便阅读），标有编号的管脚可以任意排列在其边框四周，以方便画线；未使用的管脚不必画出。

4、必要的计算:如恒流源电流，量程灵敏度计算，线性误差核算等。

二、格式要求

（1）、摘要和正文用宋体小四号字，英文小四号“Times New Roman”字型，全文统一，行间隔为1.5。

（2）、图表用宋体5号字。

（3）、公式序号应右对齐，公式应尽可能居中。

（4）、选用标准A4复印纸（210mm×297mm）。版芯（打印尺寸）：160mm×247mm（不包括页眉行、页码行），即页边距上、下、左、右各25mm。

（5）、装订：双面打印，沿长边装订。

（6）、页码编号形式：摘要、目录用罗马数字顺序编写；页码用阿拉伯数字连续编页，字号与正文字体相同，页底居中，数字两侧用圆点或一字横线修饰，如—3—。

（7）、一级标题用宋体三号加黑，居中；

二级标题用宋体四号加黑，左对齐； 三级标题用宋体小四号加黑，左对齐； 正文首字符空两个汉字。

（8）、公式号：（2-1），引用时：式（2-1）；

图 号：图2-1，引用时：图2-1； 表 号：表2.1，引用时：表2.1。

三、课程设计报告参考格式（课程设计报告参考格式如下所示，可做适当增加或减少）

阿坝师范高等专科学校

《传感器技术及应用》课程设计

设计题目：基于LabView的虚拟温度测量仪 班 级： 电信08-2 学 号： 08034030242 姓 名： XXXXXXX 指导老师： XXXXXXX 设计时间： 2012-4-20

课程设计报告内容

摘要 目录 1. 概述

2. 课程设计任务及要求

2.1 设计任务 2.2 设计要求 3. 系统设计

3.1 系统方案

3.1.1 结构框图 3.1.2 系统工作原理 3.2 单元模块设计

3.2.1 单元模块的设计3.2.2 单元模块的连接4. 系统调试

4.1 系统的连接 4.2 系统的运行 4.3 运行结果 4.4 故障分析 5. 结论

6. 使用仪器设备清单 7. 收获、体会和建议 8. 参考文献

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Ⅰ.摘要

温度测量是工业生产过程中的主要测控参数之一。传统的温度测量方法大多存在成本高、设备复杂、很难对测量结果进行统计分析、应用面窄、不具有通用性以及调试维护繁琐等缺点。温度测量是工业生产过程中的主要测控参数之一。传统的温度测量方法大多存在成本高、设备复杂、很难对测量结果进行统计分析、应用面窄、不具有通用性以及调试维护繁琐等缺点。基于虚拟仪器的多功能温度测量仪操作简单,实用性强,提高了温度测量精度和数据处理的准确性；减少了测量劳动强度和测量时间；降低了人为因素对温度结果的影响；实现了智能化的温度实时测量。整个系统操作简易灵活、使用方便、稳定可靠、人机界面好

关键词：虚拟仪器、AD590、温度检测、LabView

This document explains different factors influencing a digital thermal sensor’s accuracy. Although the accuracy of a temperature sensor is guaranteed by design, thorough device. characterization and stringent production testing, in order to achieve the best accuracy, the consideration of external factor is equally important. Optimal final system, performance, however, depends on several external factors including the characteristics, of the remote diode, layout, external noise influence, or choice of sensor placement. The influence of these external effects on local and remote thermal sensors’ accuracy is detailed in this document

Ⅱ.目录

1．概述

在工业生产和科学实验过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，随着工业生产自动化程度越来越高，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的要求也越来越高。传统测温仪一般都是通过硬件电路实现这样就存在电路复杂、成本较高、性能不够稳定等问题，所以在大部分的情况下以传统硬件为主的测温系统在很多场合已不能适应现代测温的要求。在这种情况下一虚拟仪器为代表的虚拟测试技术可以较好的解决这些问题，在众多的开发软件中又以美国国家仪器公司开发的图形化编程语言LabView应用最广、功能最强，本次设计根据时时测量的温度来产生出不同的电流信号从而在PC平台上通过软件来实现温度的测量。

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2．课程设计任务及要求 2.1 设计任务

本次课程设计是通过PC机在LawView平台上建立一个虚拟的温度测量系统，将时时的温度变化通过建立的系统在虚拟情况下通过电流的变化来进行温度的测量。

正文格式

4 系统调试

????.

4.4 故障分析

高温的报警不正常???????????????

31

2．课程设计任务及要求 2.1 设计任务

本次课程设计是通过PC机在LawView平台上建立一个虚拟的温度测量系统，将时时的温度变化通过建立的系统在虚拟情况下通过电流的变化来进行温度的测量。

正文格式

4 系统调试

????.

4.4 故障分析

高温的报警不正常???????????????

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/clup.html