熱電阻的單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)

1、摘 要電子溫度計(jì)是日常生活中最普遍的電子產(chǎn)品之一，常用的轉(zhuǎn)換元件有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶等，通常我們將這些轉(zhuǎn)換元件通過(guò)非電量轉(zhuǎn)化電量的檢測(cè)方法，結(jié)合電量和溫度之間的關(guān)系，我們可以計(jì)算出其溫度值。在本課題中將介紹一種利用電阻電橋失衡輸出的電壓轉(zhuǎn)換溫度的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，利用AT89S系列單片機(jī)作為控制器，計(jì)算鉑電阻（PT100）電量與溫度的轉(zhuǎn)換，并在LED顯示溫度。關(guān)鍵詞：AT89S52 ADC0832AbstractElectronic thermometer is in daily life the most common one of electronic products, and th

2、e common interface element have heat resistance, thermal resistance, thermocouple, etc., usually we will these interface element through the non-electricity into electricity detection methods, combined with power and the relationship between the temperature, we can calculate the temperature value. I

3、n this topic will introduce a kind of make use of the resistance bridge unbalanced output voltage transition temperature design. In the design, the use of AT89S series microcontroller as the controller, calculation of platinum resistance (PT100) power and temperature conversion, and in the LED displ

4、ay temperature.Keyword：AT89S52 ADC08321.引言42.設(shè)計(jì)任務(wù)及要求43.單臂電橋測(cè)溫原理及鉑電阻43.1直流電橋平衡原理43.2鉑電阻的特性53.3由鉑電阻構(gòu)成的單臂電橋54方案設(shè)計(jì)和選擇64.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖64.2方案設(shè)計(jì)與確定65電路圖、元器件介紹以及參數(shù)計(jì)算75.1測(cè)量電路75.2 信號(hào)調(diào)理電路85.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路95.4 單片機(jī)及外圍電路115.5 顯示電路136 軟件設(shè)計(jì)146.1 ADC的啟動(dòng)與輸入146.2軟件修正誤差157整體組裝及調(diào)試157.1仿真157.2硬件組合及相關(guān)數(shù)167.3誤差分析177.4調(diào)試178總結(jié)體會(huì)17附錄：18參考資

5、料：18整體原理圖18程序211.引言當(dāng)今，鉑電阻廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電機(jī)、工業(yè)、溫度計(jì)算、衛(wèi)星、氣象、阻值計(jì)算等高精溫度設(shè)備，應(yīng)用范圍非常之廣泛。日常生活中，溫度已經(jīng)成為人們必須知曉的一個(gè)物理量。溫度的高低密切關(guān)系著生活中的每一個(gè)角落。溫度傳感器成為常用的傳感器之一，為知曉生活中溫度的高低提供了極大的便利。 2.設(shè)計(jì)任務(wù)及要求基于熱電阻的溫度測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：1. 理解電阻測(cè)溫的原理；2. 理解數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理以及與MCU的接口方法；3. 理解顯示器與MCU的接口方法；4. 編程實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量及顯示;5. 溫度的確定方法建議不采用查表法，采用傳感器的關(guān)系表達(dá)式；6 測(cè)量溫度范圍：02

6、00。3.單臂電橋測(cè)溫原理及鉑電阻3.1直流電橋平衡原理近年來(lái)，低漂移集成運(yùn)算放大器的發(fā)展，直流電橋得到了廣泛的應(yīng)用。如圖3-1所示，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4電阻。初始狀態(tài)，則電橋輸出的電壓或電流為零。此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。因此為電橋的條件。當(dāng)其中任意一個(gè)電阻的阻值改變時(shí)，變化，其輸出電壓為圖3.1 平衡電橋 3.2鉑電阻的特性本次設(shè)計(jì)使用Pt100電阻，所以這里將只介紹Pt100電阻的特性。pt100是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為1

7、00歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)。但他們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。由于我們本次設(shè)計(jì)涉及到的溫度范圍：0200。故阻值和溫度之間的關(guān)系可以用下式近似表示等式中，、分別為0和t的電阻值。 ，Pt100在正常工作下其電流最大3.3由鉑電阻構(gòu)成的單臂電橋如圖3-1所示，當(dāng)為鉑電阻時(shí)（鉑電阻的介紹將在第四節(jié)中介紹）。由于外界溫度的影響下，鉑電阻的阻值改變，導(dǎo)致平衡電橋失衡，從而輸出。因此，我們利用鉑電阻的電阻隨溫度變化而產(chǎn)生電橋輸出電壓，并利用鉑電阻的特性，從而實(shí)現(xiàn)由非電量轉(zhuǎn)換成電量的測(cè)量。4方案設(shè)計(jì)和選擇4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.14.2方案設(shè)計(jì)與確定

8、方案一：使用運(yùn)算放大器做求差，直接求出并放大輸出電壓，后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。方案二：亦使用運(yùn)算放大器，與方案一不同的是，方案一使用單路電壓輸入進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，而方案二則采用電橋兩路的電壓，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路，輸入A/D轉(zhuǎn)換器，由單片機(jī)進(jìn)行求差處理。方案分析，兩者的原理都是利用電橋失衡后的輸出電壓進(jìn)行求差運(yùn)算，以此獲得鉑電阻阻值和變化電壓之間的關(guān)系。不同的是，方案一采用的是硬件求差，而方案二采用的是軟件求差。相對(duì)后者來(lái)說(shuō)，前者經(jīng)過(guò)求差電路，單一的輸出電壓值，直接由單片機(jī)進(jìn)行溫度變化較后者使用軟件求差的精度更高。由于兩路電壓都在時(shí)刻小幅變化，對(duì)于軟件求差而言，微小的變化，導(dǎo)致求

9、得的小數(shù)點(diǎn)后值不同，從而影響整個(gè)溫度檢測(cè)精度。本次設(shè)計(jì)，由于希望通過(guò)編程上對(duì)誤差的修正來(lái)保證溫度準(zhǔn)確度，故采取了方案二。5電路圖、元器件介紹以及參數(shù)計(jì)算5.1測(cè)量電路5.1.1 原理圖圖5.1.1如圖5.1.1所示，使用=5V的直流電輸入，當(dāng)（鉑電阻）的溫度變化時(shí)阻值隨之改變，的電勢(shì)產(chǎn)生變化，而的電勢(shì)則不變。5.1.2 元件選擇只考慮電阻的初始平衡，和Pt100的最大電流。故選取2個(gè)1K電阻和1個(gè)500電位器。故最大電流滿足Pt電阻的要求。5.2 信號(hào)調(diào)理電路5.2.1 原理圖圖5.2.1由于兩路的信號(hào)調(diào)理電路及選取電阻是相同，所以只給出一路的信號(hào)調(diào)理電路。第一級(jí)運(yùn)放為一個(gè)電壓跟隨器為了降低輸

10、出阻抗，增加電壓穩(wěn)定性。第二級(jí)運(yùn)放為一個(gè)正向電壓放大器，由于輸出電壓較小，為了使A/D轉(zhuǎn)換器正常工作，故需要放大后進(jìn)A/D5.2.2 高精度運(yùn)算放大器OP07介紹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(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特 圖5.2.2點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號(hào)等方面。5.2.3 元

11、件選擇及參數(shù)設(shè)置通過(guò)運(yùn)算，可知電橋的輸出電壓和僅為0.45V（理想狀態(tài)電橋平衡下）。由于熱電阻1的變化導(dǎo)致1一下的電阻變化，如此電壓的變化量也不會(huì)太大，這樣會(huì)增加我們對(duì)測(cè)量的難度和不準(zhǔn)確度。為此，為了解決微小信號(hào)變化的輸出，采取了使用OP07運(yùn)放的正向放大電路，放大電壓，增益如下由于設(shè)計(jì)選擇的ADC0832最大輸入電壓為5V，故在第二級(jí)運(yùn)放后的輸出電壓必須小于5V。選擇=12K，=24K，故可得=3，最大輸出電壓。5.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5.3.1 原理圖圖5.3.15.3.2 ADC0832選用及芯片介紹由于ADC0832的連接和使用的簡(jiǎn)易，故為了降低電路的復(fù)雜度，采用了ADC0832作為本次設(shè)計(jì)

12、模數(shù)部分。ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。芯片接口說(shuō)明：CS_ 片選使能，低電平芯片使能。CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND 芯片參考0 電位（地）。DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 圖5.3.2 ADC0832封裝CLK 芯片時(shí)鐘輸入。Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。 5.4 單片機(jī)及外圍電路5.4.1 原理圖圖5.4.1

13、 單片機(jī)及外圍電路5.4.2 AT89S51資料及選用現(xiàn)在市面上的單片機(jī)種類繁多，由于本次電路不需要負(fù)責(zé)的運(yùn)算能力與速度，故選用最普遍的AT系列單片機(jī)。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi) 圖5.4.2 集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 5.4.

14、3 AT89S51引腳功能VCC：電源電壓輸入端。GND：電源地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，使用P0外部必須被拉高。P1-P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口。RST：復(fù)位輸入端ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號(hào)端PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。EA/VPP：外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許。XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。 圖5.4.35.5 顯示電路5.5.1 原理圖圖 5.5.1 顯示電路原理圖顯示電路由四位共陰數(shù)碼管和1片74HC573鎖存器組成，并由P3口進(jìn)行位選，P1

15、口進(jìn)行段碼輸出。74HC573芯片的作用是增大數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電流。6 軟件設(shè)計(jì) 圖 6.1.1 總流程圖6.1 ADC的啟動(dòng)與輸入本次設(shè)計(jì)使用的是ADC0832的兩個(gè)輸入通道，所以需要在接收輸入前，首先選擇通道。如圖5.3.1所示，ADC0832的DI口和DO口連在一起并一起連入單片的P2.0口，這是因?yàn)橥ㄐ艜r(shí)，DI和DO并不是同時(shí)有效的，而單片機(jī)接口則是雙向的。表中可得知，當(dāng)對(duì)DI端口輸入第一個(gè)1時(shí)表示將通道屬性選擇為單極性；當(dāng)輸入第二個(gè)值是，0表示0通道，1表示1通道。表1在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，首先需要將片選設(shè)為低電平，此時(shí)開(kāi)始ADC0832工作；第二步選擇通道，再輸入選通道輸入碼之前需要輸入1

16、位1作為起始位，隨后輸入相應(yīng)選通碼。值得注意的是選擇0通道后，需將DO口置1，否則輸出口呈高阻態(tài)將無(wú)法正確輸出信號(hào)。輸入信號(hào)時(shí)，ADC0832采取的是一位位輸出方式，故單片機(jī)需要一位位的接收。6.2軟件修正誤差由于輸入ADC的電壓時(shí)刻在變化，故每一時(shí)刻的電壓差值都不相同，由于軟件求差的緣故，可能會(huì)導(dǎo)致較大變化的跳動(dòng)。為此通過(guò)軟件的計(jì)算來(lái)盡可能彌補(bǔ)兩路求差帶來(lái)的誤差。設(shè)計(jì)中將采用一個(gè)定時(shí)器，在一段時(shí)間內(nèi)的反復(fù)采集，求其平均值，來(lái)盡量減小系統(tǒng)誤差。7整體組裝及調(diào)試7.1仿真為確保做出來(lái)的設(shè)計(jì)沒(méi)有大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)之前先進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，仿真軟件使用的是proteus。由于該軟件沒(méi)有誤差的影響，所以仿真階段

17、只是確保了大體上的正確。圖7.1.17.2硬件組合及相關(guān)數(shù)本次設(shè)計(jì)使用兩個(gè)模塊，將顯示電路單獨(dú)置于另一塊版。目的是便于調(diào)試和檢查。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道0輸入電壓和溫度的關(guān)系工業(yè)溫度計(jì)測(cè)定的室溫T/ADC0832 CH0輸入電壓U/V22.281.4979V32.011.5477V32.801.5490V由上述數(shù)據(jù)，可以得到以下關(guān)系可以看到T和U成近似的線性關(guān)系，由此可以推論出測(cè)量電路無(wú)問(wèn)題。7.3誤差分析誤差主要來(lái)源：1. 電阻、運(yùn)放相關(guān)參數(shù)與理論值有差別2. 由于熱電阻溫度不為0，故熱電阻阻值不可能為100度，電橋不能平衡。3. 轉(zhuǎn)換輸入電壓變化跳動(dòng)微小，可能造成較大的誤差。4. 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)候，

18、取的有效位數(shù)不同造成計(jì)算后的溫度不準(zhǔn)確7.4調(diào)試硬件調(diào)試的主要方法，檢測(cè)數(shù)碼管是否選通并點(diǎn)亮。檢測(cè)各級(jí)運(yùn)放的輸入輸出電壓，并與理論值作比較。軟件調(diào)試的方法，選通數(shù)碼管并點(diǎn)亮，觀察顯示與程序結(jié)果是否一致。8總結(jié)體會(huì)本次設(shè)計(jì)之初，選用的運(yùn)放求差電路，通過(guò)硬件求差后進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行溫度的計(jì)算。在后續(xù)的思路中，考慮到ADC0832可以有兩路輸出，因此想到了通過(guò)用編程獲取電橋失衡輸出電壓，并通過(guò)軟件進(jìn)行誤差修正。前期準(zhǔn)備中，在有基本思想和大體框架下，自主查詢了各種數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解了其主要的參數(shù)與性能，并考慮實(shí)際電路選擇器件。通過(guò)Proteus軟件仿真后，也出現(xiàn)了很多的計(jì)劃之外的問(wèn)題，例如經(jīng)過(guò)

19、運(yùn)放后的電壓過(guò)大大于5V，如此一來(lái)就在ADC0832最大輸入電壓之外了。為此解決方案是減小放大倍數(shù)或在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前加入一個(gè)5V的穩(wěn)壓管。仿真軟件只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能性的仿真，而在設(shè)計(jì)時(shí)候需要考慮周到。例如電壓跟隨器，減小了電橋電壓的輸出阻抗，穩(wěn)定了進(jìn)入放大電路的電壓值。制作出PCB板之后，由于位選通未加大驅(qū)動(dòng)電流，故顯示失敗。重新制作的顯示電路中，加上了一片74HC573芯片，增大了IO口的輸出驅(qū)動(dòng)電流，以此點(diǎn)亮數(shù)碼管。實(shí)體電路完成之后就進(jìn)行電橋調(diào)零，將一片100的電阻替代熱電阻的位置，測(cè)試兩路輸出電壓是否為零，并通過(guò)電位器調(diào)零。在測(cè)試后，保證硬件電路無(wú)錯(cuò)的前提下，進(jìn)行軟件的編寫。起初編寫的軟件，

20、顯示電路部分1秒內(nèi)閃爍次數(shù)過(guò)多，并且其他位有節(jié)奏閃爍。前者的原因是采集頻率過(guò)快，為此啟動(dòng)了一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)溢出后中斷內(nèi)執(zhí)行采集和求差程序部分；后者的原因是選通后的延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，故降低延時(shí)時(shí)間即可。該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于軟件求差和誤差修正上。對(duì)于誤差修正，采用的方法是多次測(cè)量，按大小排序后剔除兩邊數(shù)據(jù)，求得的均值為其輸入電壓。但由于時(shí)間關(guān)系未能成功實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)碼管的溫度顯示幅度跳動(dòng)厲害，誤差較大。本次課程設(shè)計(jì)獨(dú)立的完成對(duì)于整體電路設(shè)計(jì)的流程有一個(gè)熟悉的了解，對(duì)于以后的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)電路需知曉其理，考慮實(shí)際情況進(jìn)行分析。感謝王老師在本次設(shè)計(jì)中提供的建議和意見(jiàn)。附錄：參考資料：賈伯年： 傳感器

21、技術(shù) 東南大學(xué)出版社康華光： 電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社。王選民： 智能儀器原理及設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社整體原理圖圖 電路1元器件清單：表 1PCB板圖：圖 pcb-1圖 pcb-2程序#include<reg52.h>#include<math.h>#define output P1sbit AD_DIDO=P20;sbit AD_CS=P21;sbit AD_CLK=P22;sbit led_1=P30;sbit led_2=P31;sbit led_3=P32;sbit led_4=P33;unsigned char code DuanMa= 0x3f,0x06,

22、0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/ 顯示段碼值09unsigned char res_R6;void startAD(int channel);unsigned char ADresult(int channel);void ResPr(double result);signed char num;unsigned char compare(unsigned char *a ) ;unsigned char ge,shi,bai,xiaoshu;unsigned char res0,re

23、s1,diff;void display();void Delay(unsigned int r);void cal(unsigned char dif);void Init_Timer0( );/void Timer0_isr( ) interrupt 1 ;void main()Init_Timer0();while(1) display();void startAD(int channel)if(channel=1)AD_CS=0;/Delay(1);AD_DIDO=1;/Delay(1); AD_CLK=0;/Delay(1);/第1個(gè)上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_

24、DIDO=1;/選擇通道1轉(zhuǎn)換AD_CLK=0;/Delay(1);/第2個(gè)上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=1;AD_CLK=0;/Delay(1);/第3個(gè)上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_CLK=0;/Delay(1);/第3個(gè)下降沿elseAD_CS=0;/Delay(1);AD_DIDO=1; AD_CLK=0;/Delay(1);/第1個(gè)上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=1;/選擇通道1轉(zhuǎn)換AD_CLK=0;/Delay(1);/第2個(gè)上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=0;AD_CLK=0

25、;/Delay(1);/第3個(gè)上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=1;AD_CLK=0;/Delay(1);/第3個(gè)下降沿unsigned char ADresult(int channel)unsigned char i;unsigned char val;startAD(channel);for(i=0;i<8;i+)val=val<<1;AD_CLK=1;AD_CLK=0;if(AD_DIDO)val=val|0x01;AD_CS=1;return val;void cal(unsigned char dif)double aa,bb,rt,we

26、ndu,xiao1,xiao2,rr1,gen;float z;z=(float)dif/51;aa=3.96847e-3;bb=-5.847e-7;xiao1=0.090909;xiao2=0.909091;rt=(1000*(xiao1+z/15)/(xiao2-z/15);rr1=1-0.01*rt;gen=sqrt(aa*aa-4*bb*rr1);wendu=(-aa+gen)/(2*bb);ResPr(wendu);void ResPr(double result)int num=result*10;bai=num/1000;shi=(num%1000)/100;ge=(int)(num%1000)%100)/10;xiaoshu=(int)(num%1000)%100)%10;void display() led_1=1;led_2=1;led_3=1;led_4=1; output=DuanMabai; /取顯示數(shù)據(jù)，段碼 led_1=0; Delay(