智能溫度檢測儀.doc

智能儀器原理及應用題目一：智能溫度檢測儀學 生 姓 名專 業(yè)學 號同 組 同 學指 導 教 師學 院 二一六年十一月九號2016-2017學年第一學期 成績：一、設計要求1.1、題目任務要求選用溫度傳感器PT100，恒流源電路、放大電路、A/D轉換電路和數(shù)碼管，采用MCS-51 系列單片機實現(xiàn)溫度信號的采集、處理和顯示。1.2、設計具體功能要求1、 三線制PT100及恒流源驅動電路設計；2、 放大和比較電路設計，實現(xiàn)-10C+100C轉換為0+5V電壓輸出；3、 ADC芯片的選取及和單片機接口設計；4、 多位數(shù)碼管動態(tài)顯示設計；5、 編寫數(shù)據(jù)處理程序和標度變換程序。二、設計題目介紹及分析溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一，無論是在生產實驗場所，還是在居住休閑場所，溫度的采集或控制都十分頻繁和重要，而且，網絡化遠程采集溫度并報警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個必然趨勢。 由于溫度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關系，所以溫傳感器就會相應產生。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達到測溫的目的。由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產了PT100熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在-200+200，濕度采集范圍是0%100%。pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成（由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標準化的，因此信號轉換器作為獨立產品時也稱為變送器），有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現(xiàn)場總線功能。此次我們利用MCS-51系列單片機結合溫度傳感器技術設計這一智能溫度檢測儀。實現(xiàn)-10C+100C溫度范圍內的溫度檢測。三、設計方案論證智能溫度檢測儀的設計，包括硬件和軟件的設計。具體包括：三線制PT100及恒流源驅動電路設計、放大和比較電路設計，實現(xiàn)-10C+100C轉換為0+5V電壓輸出、ADC芯片的選取及和單片機接口設計、多位數(shù)碼管動態(tài)顯示設計、編寫驅動程序、編寫數(shù)據(jù)處理程序和標度變換程序。在本設計中，是以電阻PT100作為溫度傳感器，采用恒流測溫的方法，通過單片機進行控制，用放大器、A/D轉換器進行溫度信號的采集。本設計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元、單片機數(shù)據(jù)處理單元、溫度顯示單元。數(shù)碼管 MCS-51單片機PT100 溫度傳感器系統(tǒng)的總結構框圖如圖3-1所示。A/D轉換電路信號放大電路恒流源電路 圖3-1 系統(tǒng)總結構框圖四、具體硬件設計說明4.1三線制PT100及恒流源驅動電路設計對于熱電阻的測量電路我們采用三線式的測量電路等，三線制PT100中，電阻一端是一根連線，另外兩端接2跟連線，三根線的電阻值相等。在橋式電路中引用了恒流源，如圖4-1所示。 圖4-1 三線制PT100及恒流源驅動電路圖4-1中，差分電壓只與PT100的阻值有關，所以，只需通過減法電路，得到V1和V2的差值，再通過放大電路，就可以輸入到A/D轉換器中。4.2 放大電路和比較電路設計圖4-2 差分放大電路此放大電路可以實現(xiàn)-10-100轉化為0-5v的電壓輸出，如圖4-2所示，采用的為差分放大電路。4.3 ADC芯片的選取及和單片機接口設計PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),由于它的電阻溫度關系的線性度非常好，如圖4-3所示，看起來非常接近于直線。因此在測量較小范圍內其電阻和溫度變化的關系式如下：R=Ro(1+T) 其中=0.00392, Ro為100(在0的電阻值),T為華氏溫度。但是對于此次設計，這個精度顯然不夠。又找到了以下關系表達式子。其電阻阻值與溫度的關系可以近似用下式表示：在0100范圍內：Rt =Ro(1+At+Bt2)在-100范圍內：Rt =Ro(1+At+Bt2+C(t-100)t3) 式中A、B、C 為常數(shù)，A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；所以這次設計的最高電阻值約為RH=R0 (1+At+Bt2) 圖4-3 PT100電阻-溫度變化圖=100（1+3.9684710-3*100+-5.84710-7*100*100） 139.1最低電阻值約為 RL=R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) =100（1+3.9684710-3*-10+-5.84710-7*-10*-10+-4.2210-12） 96.03約跨度RH -RL=43.07其中跨溫度110 ，采樣精度1也就意味著差不多110個采樣點,每個采樣點平均分攤0.392的電阻。通過查閱PT100的使用說明得知，PT100的工作電流理應不超過1mA,所以兩端電壓值的變化量需要被檢測出來的最大分辨率應該是：1mA*0.392=0.392mVPT100兩端的電壓值的取值范圍大概為0.096V0.139V110個采樣點需要7位二進制來表示，所以AD轉換器需要分辨率7位以上，這里采用8位的ADC0809芯片：ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口11。（1）ADC0809的內部邏輯結構由圖2-9可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。（2）引腳說明 圖4-4 ADC0809的內部邏輯結構圖4-5 ADC0809引腳圖IN0IN7：8條模擬量輸入通，ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A、B和C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A、B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道地址表如下表4-6所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表4-6 通道地址表字量輸出及控制線：ST為轉換啟動信號。當ST出現(xiàn)上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。VREF（）、VREF（）為參考電壓輸入。單片機我們選用MCS-51單片機，ADC0809引腳與單片機接口設計如下：（1）ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與MCS-51單片機直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機。 單片機這里我們選用的是MCS-51系列的8031單片機，圖4-7為ADC0809與單片機0821接口電路。圖4-7 ADC0809與單片機8031接口電路4.4多位數(shù)碼管動態(tài)顯示設計LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。圖4-8所示為0.5英尺LED數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對應ag筆段構成“日”字形另一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點。因此這種LED顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管圖4-8 LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管顯示電路在單片機應用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。本設計選動態(tài)掃描方式的六位七段LED顯示器。其接口電路如圖4-9所示，接口芯片采用8155，其中PA口用于輸出段碼，PB口用于輸出位選碼，其地址分別為FD01H和FD02H。圖4-9 LED數(shù)碼管顯示電路五、軟件設計說明本設計采用C51高級語言編寫，因為其提供了庫函數(shù)包含許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，關鍵字及控制轉移方式更接近人的思維方式，且 本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，移植方便。5.1各部分程序流程圖主程序流程圖：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，信號放大，A/D轉換，顯示數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖5-1所示。開始系統(tǒng)初始化PT100溫度數(shù)據(jù)采集A/D轉換器處理讀到的數(shù)據(jù)送LED數(shù)碼管顯示結束圖5-1 主程序流程圖溫度轉換程序流程如圖5-2所示，開始初始化函數(shù)A/D轉換器進行A/D轉換將轉換后的電壓轉換為溫度返回圖5-2 溫度轉換程序流程圖顯示流程圖如圖5-3所示， 開始系統(tǒng)初始化調用溫度子程序調用顯示子程序調用掃描按鍵程序圖5-3 顯示子程序六、測試及調試整個溫度檢測系統(tǒng)由測控電路、放大電路，數(shù)模轉換電路以及顯示部分構成，其中顯示部分用的是單片機板，所以電路的設計主要是測控、信號放大、數(shù)模轉換的部分。把測控電路和放大電路連接起來組合調試。把測控電路的可調電阻調整為100，那么兩橋臂的阻值相等，輸出的電壓都是2.5V,壓差為0，那么ADC0809的輸出也為0。調節(jié)測控部分的可調電阻、ADC0809的兩個可調電阻，儀用放大器的輸出都會呈線性變化，如果出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，那么說明電路是正確的。在實際的焊接過程中，并沒有這么順利。橋式電路的輸出電壓是正確的，可是電路連入放大部分的時候，不管怎樣調節(jié)電阻，輸出都是呈飽和狀態(tài)，不管接入參考電壓與否。這個問題到最后也沒查出原因，只好把這兩部分電路重新焊接了一遍。焊接后的電路，現(xiàn)象正確。把AD623的輸出電壓接到ADC0809，并接入顯示電路，設計一個顯示程序，把AD623輸出的電壓顯示到數(shù)碼管上。顯示的結果是正確的，但如果調節(jié)焊接電路的可調電阻，數(shù)碼管的顯示不會更新，檢查電路后，發(fā)現(xiàn)其中一個管腳焊接斷開了，把斷開部分用焊錫接上以后，電路的調試通過，換上鉑熱電阻。與溫度傳感器連接通電后，可以實現(xiàn)測量溫度的基本功能，通過led顯示讀出溫度值，但是由于理論與實際并不能完全對應，測出的溫度值有很大誤差，經過調試