基于PT10測溫系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要本設(shè)計是基于單片機的溫度測量系統(tǒng)，具體采用了AT89S51單片機作為核心器件，PT100作為溫度傳感器，采用TLC2543來實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變，用四位共陽極LED數(shù)碼管作為顯示器。根據(jù)該溫度傳感的特性，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，然后結(jié)合理論計算，設(shè)計調(diào)理電路，將輸出的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，在將數(shù)字信號傳送到單片機進行處理，并把最終數(shù)值通過數(shù)碼管顯示，整個過程中使用protues軟件進行仿真來進行調(diào)試，并檢驗設(shè)計成果。關(guān)鍵字：AT89S51單片機 TLC2543 PT100 調(diào)理電路1 方案設(shè)計1.1 設(shè)計要求 設(shè)計一個測溫系統(tǒng)，要求測溫范圍200500， 分辨率為1； 畫出系

2、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 說明各電路的作用，系統(tǒng)實現(xiàn)的功能； 選擇一種合適的溫度傳感器， 說明選擇理由； 說明該溫度傳感器的工作原理，推導(dǎo)輸入輸出關(guān)系式； 設(shè)計模擬信號調(diào)理電路，推導(dǎo)溫度輸入和調(diào)理電路輸出的表達式； 選擇A/D轉(zhuǎn)換器，計算放大器的放大倍數(shù)； 設(shè)計人機接口電路，（參數(shù)如何設(shè)置？ 數(shù)據(jù)如何顯示？）； 繪制基于單片機的溫度測量系統(tǒng)的硬件電路圖； 所采用測量數(shù)據(jù)的基本處理算法的流程圖以及程序設(shè)計； 證明所設(shè)計的系統(tǒng)能夠達到測溫范圍和分辨率的要求。 1.2 系統(tǒng)框圖及原理傳感器及其信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換電路AT89S51單片機顯示器及顯示電路圖1-1 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)的設(shè)計原理為：通過感溫元器

3、件可以將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，一般選用電壓信號，將電壓信號經(jīng)過濾波、放大達到一定要求之后就可以進行A/D轉(zhuǎn)換，從模擬信號變成單片機可以識別和直接處理的數(shù)字信號，單片機經(jīng)過一系列的算法，根據(jù)所采得的數(shù)字信號的值，反推溫度出溫度傳感器所在環(huán)境的溫度，并通過LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的溫度。1.3 器件的選型及介紹1.3.1 溫度傳感器的選型 溫度傳感器可分為接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器兩大類，非接觸式溫度傳感器如紅外溫度傳感器一般價格較為昂貴，適用于特備精密的場合，在本設(shè)計中明顯不符合要求，故采用接觸式溫度傳感器來完成本次設(shè)計任務(wù)。常用接觸式溫度傳感器主要有熱電偶、熱電阻以及集成溫度傳感器三大類

4、： 熱電偶熱電偶的測溫原理：兩種不同成分的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表連接，顯示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介質(zhì)溫度，而這種電動勢稱為熱電動勢。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。但由于熱電偶普遍的線性度不太好，而且需要做冷端補償，這樣以來增加了電路設(shè)

5、計的復(fù)雜性，且也給軟件編程帶來了不方便之處。 集成溫度傳感器集成溫度傳感器可分為模擬式溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器，前者是將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，具有實際尺寸小、使用方便、靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，常用的模擬式溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103、AD590等；數(shù)字式溫度傳感器將敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換單元、存儲器等集成在一個芯片上，直接輸出反應(yīng)被測溫度的數(shù)字信號，使用方便，但響應(yīng)速度較慢。但除了集成溫度傳感器價格較高之外，一般集成溫度傳感器的測溫范圍-55+150，遠達不到本次設(shè)計所要求的200500，故本次設(shè)計中不能

6、應(yīng)用集成溫度傳感器。 熱電阻熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度?，F(xiàn)階段主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。金屬熱電阻一般適用于-200500范圍內(nèi)的溫度測量，其特點是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠。半導(dǎo)體熱敏電阻測溫范圍只有-50300左右, 且互換性較差，非線性嚴重，但溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上）。故對于本次設(shè)計要求的來看，只能采用金屬熱電阻。目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小；銅

7、電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)，超過150易被氧化，所以對于要測量150以上的溫度，宜采用銅電阻，其代表產(chǎn)品就是PT100。PT100精度高，線性度較好，測溫范圍廣，價格相對不高，是本次設(shè)計的首選溫度傳感器。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),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0650范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000范圍內(nèi)：Rt =R0 (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；由

8、于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)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，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。PT100溫度傳感器的測量范圍廣： -200650，偏差小，響應(yīng)時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計即采用PT100作為溫度傳感器。1.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選型鑒于本次設(shè)計要求測溫系統(tǒng)的分辨率為1，測溫范圍是200500，所以很明顯若采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1.17，不滿足要求，本設(shè)計可采用德州儀器公司生產(chǎn)的12位開關(guān)電

9、容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543，它具有三個控制輸入端，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與微機進行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543的主要性能為： 逐次逼近ADC,可選擇工作于12位或8位； 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有12位一次讀出，位、位兩次讀出兩種讀出方式； 具有可控三態(tài)輸出緩沖器,TTL電平。 非線性誤差：AD574AJ為1LSB,AD574AK為1/2LSB； 轉(zhuǎn)換時間:最大轉(zhuǎn)換時間為25us(中檔速度)； 輸入模擬信號:單極性時,范圍為0V10V和0V20V,從不同引腳輸入。雙極性輸入時,范圍為0V5V和0V10V,從不同引腳輸入。1.3.3 顯示器選型 鑒于本

10、設(shè)計的只需要顯示溫度的大小，且需要顯示的溫度范圍在200500間，對精度的要求不太高，可以直接采用四位數(shù)碼管顯示，最后采用了7SEG-MPX2-CA四位共陽極LED數(shù)碼顯示器。2 硬件電路的設(shè)計2.1 信號測量電路根據(jù)設(shè)計要求，首先需將溫度傳感器由溫度信號轉(zhuǎn)換為的電信號進行處理，使之能夠穩(wěn)定的映射到A/D轉(zhuǎn)換器的功能。鑒于一般使用的都是利用電壓信號，而PT100的感溫原理是其電阻隨溫度的變化而變化，為此我們可以使一恒流源串聯(lián)PT100，然后輸出其兩端的電壓信號。之所以選擇串聯(lián)恒流源的方式，主要是考慮到這樣來，輸出電壓和PT100的電阻值直接成正比關(guān)系，有很好的線性，而若采用電橋輸出的話，輸出電

11、壓和PT100的電阻值的關(guān)系是非線性的，對于測量精度來講不太合適，而51單片機處理除法的計算能力較差，這樣做會降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度。圖2.1測量電路該恒流源是基于LM324進行的設(shè)計，通過運放的“虛短”和“虛斷”的原則，可以很容易的計算出，流過PT100的電流大小 ：I=UN+ /R1 式中UN+指的是LM324的正相端輸入電壓，由圖可以發(fā)現(xiàn)UN+是由TL431組成的電路輸出所得，結(jié)合滑動變阻器RV2的配合，可以使其輸出電壓為4.096V，之所以要使輸出電壓為4.096V，是因為我們所選的A/D轉(zhuǎn)換器是12位的，2的十二次方剛好等于4096，將基準(zhǔn)電壓設(shè)定為4.096V，可以減小進行A/D時的誤

12、差。下面對該電路中使用的LM324以及TL431芯片進行一些簡單的介紹。 LM324LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉

13、等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 TL431TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等，其特點如下： 可編程輸出電壓為36V ； 電壓參考誤差：0.4 ； 典型值25（TL431B）； 低動態(tài)輸出阻抗，典型0.22； 負載電流能力1.0mA to 100mA； 等效全范圍溫度系數(shù)50 ppm/典型； 溫度補償操作全額定工作溫度范圍 ； 低輸出噪聲電。2.2 信號調(diào)理電路的設(shè)

14、計信號調(diào)理電路需要完成對信號的放大、濾波和偏置放大等任務(wù)，是信號實現(xiàn)遠傳的根本所在，也是單片機對原始信號進行處理前的必備流程，從某種意義上講，信號調(diào)理電路是提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度的根本所在。2.2.1 首級放大電路根據(jù)計算公式Vin=4.096*Rpt100/2k ，式中Rpt100表示的是PT100在特定溫度下的電阻值，由于需要測量的溫度范圍為200500，查表可知，其電阻值的大小為175.86280.98之間，這樣以來可知用恒流源通過PT100的輸出的電壓很小，大概為0.360.58V之間，不方便直接作為輸入，故需要進行信號放大。圖2.2首級放大電路該放大的電路的設(shè)計基于OP07C實

15、現(xiàn)，Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號等方面。此電路的設(shè)計，充分考慮到了對OP07C供電電源的濾波，以及運放輸入電阻平衡的要求，結(jié)合運放的特點，經(jīng)過簡單的分析便可知，該放大電路為反相放大器，具體放大倍數(shù)為10倍。2.2.2 偏置放大電路經(jīng)過首級放大電路的處理后，通過計算可以知道輸出電壓U1N大小為3.655.75V，為了方便，我

16、們所用的A/D轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓為5V，故需要將首級放大的輸出電壓拓展為05V。為實現(xiàn)這個目的，可以先對U1N進行偏置得02.1V，然后對這個范圍的電壓進行2.4倍的信號放大。本設(shè)計的偏置放大電路的設(shè)計便是圍繞著這種思想設(shè)計而來。圖2.3偏置放大電路該電路的設(shè)計原理介紹如下：在本設(shè)計的實際應(yīng)用中，運放的同相端設(shè)置了兩個輸入電壓，一個為首級放大電路的輸出電壓U1N，另一個是利用滑動變阻器分壓而得的一個電壓值-3.64V，然后令Ra=Rb=2k，Rf=4.8k，使運放的輸入電阻滿足Ra/Rb/R=R1/ Rf，這樣就達到了偏置和放大的要求，在誤差允許的范圍之類，完全可以滿足所需要求。2.3 A/D

17、轉(zhuǎn)換電路前面已經(jīng)介紹，設(shè)計選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為TLC2543，其引腳排列如圖所示。 圖2-4 TLC2543的引腳AIN0AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。對4.1MHz的I/OCLOCK，驅(qū)動源阻抗必須小于或等于50，而且用60pF電容倆限制模擬輸入電壓的斜率。CS：片選端。在CS由高到低變化時，將復(fù)位內(nèi)部計數(shù)器，并控制和使能DATAOUT、DATAINPUT和I/OCLOCK。CS由低到高的變化時，將在一個設(shè)置時間內(nèi)禁止DATAINPUT和I/OCLOCK。DATAINPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/OCLOCK的前4個上升沿移入4位地址，用來選擇下一個要轉(zhuǎn)

18、換的模擬輸入信號或測試電壓，之后I/OCLOCK將余下的幾位依次輸入。DATAOUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在CS為高時，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。VCC、GND：電源正端、地。REF、REF：正、負基準(zhǔn)電壓端。通常REF接VCC，REF接GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。I/OCLOCK：時鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個時鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時序。在TLC2543的

19、CS變低時開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/OCLOCK的前8個上升沿將8個輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿時數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT為高阻態(tài)。本設(shè)計中TLC2543與單片機的連接如圖所示。圖2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路2.4 單片機電路及顯示電路圖2.6單片機電路及顯示電路本設(shè)計使用51單片機為核心器件，其中P1口（P1.0P1.3）為A/D轉(zhuǎn)換器的通信接口，P2口接數(shù)碼管的段碼，P3口（P3.0P3.3）接數(shù)碼管的片選端，即負責(zé)確定位碼。對于單片機而言，需要構(gòu)建其最小系

20、統(tǒng)。3 軟件設(shè)計進行微機測量控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個測量對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在微機測量控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)而言，軟件設(shè)計主要包括信號采集程序、信號處理程序、顯示程序及主程序三大部分。3.1 信號采集控制程序3.1.1 信號采集全過程上電后，片選cs必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機的。開始時，片選CS為高，IO_ CLOCK、DATA_INPUT被禁止，DATA_OUT呈高阻狀態(tài)，EOC為高。使CS變低，IO_CLOCK、DATA_INPUT使能，DA

21、TA_OUT脫離高阻狀態(tài)。12個時鐘信號從IO _CLOCK端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從DATA_INPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543(高位先送入)同時上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATA_OUT一位一位地移出。TLC2543收到第4個時鐘信號后，通道號也已收到，此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進行采樣，并保持到第12個時鐘的下降沿。在第12個時鐘下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需10微秒，轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個工作周期輸出。此后，可以進行新的工作周期。

22、3.1.2 程序流程圖開始控制字傳入TL2543接收通道信號模擬量采集單片機接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)存儲器圖3.1信號采集控制程序流程圖3.1.3 程序代碼為sbit CS=P12; / 2543 /CS sbit IO_CLOCK=P13; / 2543 IO CLOCK sbit DATA_IN=Pl1; / 2543 DATA IN sbit DATA_OUT=P10; / 2543 DATA OUT unsigned int ad_data; sbit bit0 = ad_data8;sbit bit7 = B7; uint read 2543(unsigned char port)

23、 / A/D轉(zhuǎn)換子程序 unsigned char data I; ad_data=0; port = port4; / 端口高4位與低4位交換 B = port ;IO_CLOCK = 0; CS=1;DATA_IN = 0; DATA_OUT = 0; CS = 0; delay( ); for(i=1; i=12; i+) / 12位DATA INPUT DATA_IN=bit7;IO_CLOCK = 1; B = B 1; IO_CL0CK=0; CS = 1; delay( ); CS = 0;delay( ); for(i=1；i=12；i+) / 12位DATA OUTPUT b

24、it0 = DATA_OUT; IO_CLOCK=1; IO_CL0CK=0;ad_data = ad_data1; return(ad_data);3.2 信號處理由于PT100的溫度和所對應(yīng)的電阻值的關(guān)系，并不是完全線性的，這里我們對其進行簡單的線性化處理，具體是在200300、300400、400500這三個溫度范圍內(nèi)，將溫度和電阻值的關(guān)系看做是一個正比例關(guān)系，這在編程上也容易實現(xiàn)。經(jīng)檢驗，此方法的誤差很小，可以滿足設(shè)計要求。程序代碼為：uint data_deal(uint AD)float r,ad,t;uint T;ad=(float)AD;r=175.86+0.0257*ad;i

25、f(r=175.86&r=212.05&r=247.09&r280.98) t=2.946*r-326.2;else t=500;return (T);3.3 數(shù)碼管顯示程序uchar table=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; /共陽LED段碼表uchar table_=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /帶小數(shù)點共陽LED段碼表uchar table1=0x01,0x02,0x04,0x08; /位碼void Display(uint temp)/溫度顯

26、示 qian=temp/1000; /取小數(shù)位數(shù)字 bai=temp%1000/100; shi=temp%100/10;/取個位數(shù)字 ge=temp%10;/動態(tài)掃描顯示各位數(shù)字，P3.1-P3.4口輸出位碼 P3=0x00; P2=tableqian; P3=table13; delay(2); P3=0x00; P2=tablebai; P3=table12; delay(2); P3=0x00; P2=table_shi; P3=table11; delay(2); P3=0x00; P2=tablege; P3=table10; delay(2); 3.4 系統(tǒng)主程序3.4.1 主程

27、序流程圖開始信號采集信號處理數(shù)值顯示結(jié)束圖3.2主程序流程圖3.4.2 程序代碼void main() while(1) Display(data_deal(read2543(port); 4 仿真調(diào)試 Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件。該軟件的特點如下： 具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)（不高于ARM7）設(shè)計與仿真功能； 具有全速、單步、設(shè)置斷點等多種形式的調(diào)試功能； 具有各種信號源和電路分析所需的虛擬儀表； 支持Keil C51 uVision2、MPLAB等第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境； 具有強大的原理圖到PCB板設(shè)計功能，可以輸出多種格

28、式的電路設(shè)計報表；擁有PROTEUS電子設(shè)計工具，就相當(dāng)于擁有了一個電子設(shè)計和分析平臺； 集原理圖設(shè)計、仿真和PCB設(shè)計于一體，真正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計工具。 該系統(tǒng)設(shè)計過程中，利用keil C51 uVision2 將編寫的C程序輸出為.hex文件，然后再反正過程中，將該文件導(dǎo)入到51單片機中。按照設(shè)計方案接連好線之后，在需要測量的地方放置模擬的電壓表、電流表以及電壓探針，便于分析設(shè)計電路中存在的不足，并立即進行相應(yīng)的改善。4.1 仿真結(jié)果在仿真界面中，先設(shè)定PT100的溫度，然后將其與數(shù)碼管的顯示的數(shù)值進行比較，記錄測量的六組數(shù)據(jù)如下表所示：表4-1 仿真結(jié)果記錄設(shè)定溫度2002

29、50300350400500顯示溫度201.2249.2300.9352.5404.3496.1誤差值1.004.33.9誤差率%0.530.320.30.7141.070.784.2 綜合分析4.2.1 溫度輸入與調(diào)理電路的輸出關(guān)系設(shè)在溫度T下，PT100的電阻值為RT，由于PT100是串聯(lián)的一個恒流源，且該恒流源的電流大小為：I=4.096V /2K，則PT100兩端輸出的電壓為Vin=RT * 4.096V /2K。接著該電壓經(jīng)過首級放大，放大倍數(shù)為10倍，故經(jīng)過首級放大電路之后，輸出電壓U1N = RT * 40.96V /2K，再然后該電壓信號經(jīng)過偏置放大電路（偏

30、置放大電路的原理和設(shè)計方法前面有詳細介紹），最終調(diào)理電路的輸出表達式為：Vo=2.4(RT * 4.096V /2K)-3.64V4.2.2 誤差分析根據(jù)上述仿真結(jié)果可以看出，雖然本設(shè)計的誤差率不是很明顯，但根本上來講，測量精度上存在很大缺陷?，F(xiàn)對誤差產(chǎn)生的情況分析如下：首先是儀器設(shè)備的原因，畢竟理想的元器件是不存在的，從仿真調(diào)試的情況來看，運放的理論放大倍數(shù)和實際放大倍數(shù)就存在一定的區(qū)別，為偏置放大電路的設(shè)計中，根據(jù)滑動變阻器的分壓也無法得到理論上精確的-3.64V，而且導(dǎo)致的偏差還會被放大。兩外，設(shè)計的恒流源也無法做到真正的恒流，當(dāng)PT100的溫度設(shè)定的較高時，可以觀察到流過PT100的電

31、流會發(fā)生微小的下降。雖然這些影響都不是很大，但對于12位、基于5V電壓的A/D轉(zhuǎn)換器來講，微小的誤差已經(jīng)足夠影響到其轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號的輸出。另外，在程序里面關(guān)于數(shù)據(jù)的處理問題，采用的是分段線性的辦法，雖說PT100的線性度較好，但嚴格意義上講并非完全線性，對于區(qū)間的分段也僅僅是分了三段，這樣做也帶來了一定的誤差。4.3 改進設(shè)想根據(jù)上述對誤差產(chǎn)生的原因的分析，理論上可以對設(shè)計采取如下的改進措施： 增大TLC2543的基準(zhǔn)電壓，使其滿量程為10V，這樣可以減少輸入的波動對輸出結(jié)果的影響； 在偏置放大電路中，要精確獲取-3.64V的電壓我們可以采用多個滑動變阻器串聯(lián)共同調(diào)整，或是采用分辨率更高的變阻

32、器的方式； 在程序的數(shù)據(jù)處理的設(shè)計部分，可以采用將PT100的分度表都存儲起來，以5為一步，然后每個5的溫度區(qū)間進行線性化處理；也可以仍然按照本設(shè)計的思路，但要增加分段數(shù)目，例如把分3段線性化改為分10段線性化。4.4 仿真情況的部分截圖圖4.1圖4.2 圖4.3參考文獻1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.高等教育出版社.20052 于海生.計算機控制技術(shù).機械工業(yè)出版社.20073 譚浩強.C語言程序設(shè)計.清華大學(xué)出版社.20084 S/OL. TLC2543德州儀器http: / universalsearc h.tsp ? searchTerm=tlc2543#linkId=1&src=t

33、op.5 S/OL. OP07C描述與參數(shù) sitesearch/cn/docs/ univer salsear ch.tsp?searchTerm=op07c#linkId=1&src=top.附錄 系統(tǒng)整體電路圖附錄 系統(tǒng)完整程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar table=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; /共陽LED段碼表uchar table_=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /帶小數(shù)點共陽LED段碼表uchar table1=0x01,0x02,0x04,0x08; /位碼sbit CS=P12; / 2543 /CS sbit IO_CLOCK=P13; / 2543 IO CLOCK sbit DATA_IN=Pl1; / 2543 DATA IN sbit DATA_OUT=P10; / 2543 DATA OUT unsigned int ad_data; sbit bit0 = ad_data8;sbit bit7 = B7; uint AD_get=0;uchar qian,bai,shi,ge;void delay(u