智能溫度測量儀論文

1、 現(xiàn)代儀器課程設計 智能化溫度儀器設計Design of Intellecturalized Temperature Instrument所在學院 ：機械工程學院所在系所 ：測控技術與儀器系專業(yè)班級 ：測 控學生姓名 ： 學生學號 ：指導老師 ： 江蘇大學測控技術與儀器系 2011-12-30智能化溫度儀器設計Design of Intellecturalized Temperature Instrument任務指標： 實時測量現(xiàn)場溫度，測溫范圍2050，測量精度±0.5，儀器采用便攜式結構，能顯示測量溫度，并有非線性補償與濾波功能。摘要：本次課程設計采用鉑電阻PT100作為傳感器測

2、量外界溫度。將鉑電阻接入電橋測量現(xiàn)場溫度，再經差動放大電路放大成05V的電壓信號。然后通過ADC0809將采集到的模擬信號轉變數字信號，再將數字信號送入AT89C52單片機通過編程實現(xiàn)非線性補償與濾波功能，最后經LED顯示器顯示測量溫度。 關鍵字：鉑電阻，溫度測量，實時顯示。Abstract: This course is designed with a PT100 platinum resistance temperature sensor outside. Access to bridge the platinum resistance temperature measurement si

3、te, and then zoom through the differential amplifier circuit into a voltage signal 0 5V. Then will be collected ADC0809 analog signals into digital signals and then digital signal into the AT89C52 microcontroller programmed to non-linear compensation and filtering, and finally through the LED displa

4、y shows the temperature measurement. Keywords: platinum resistance, temperature measurement, real-time display.目 錄目 錄3引 言4一、總體設計方案51.1設計方案論證51.2方案的總體設計框圖6二、元件選擇與說明62.1溫度傳感器62.2 ADC0809模數轉換器72.3 AT89C52單片機82.4 運算放大器92.5 LED數碼顯示管102.6 7805穩(wěn)壓管10三.單元電路設計113.1電源電路113.2 晶振電路113.3 上電復位電路123.4前端信號測量電路12四總體電

5、路及相關說明13五軟件設計145.1系統(tǒng)軟件設計說明145.2程序流程及清單15五課程設計心得體會19六參考文獻19引 言隨著科技的發(fā)展和“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結構、工作原理及特性是非常重要的。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。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結構、原理及其性能指標，還必須懂得傳感器經過適當的接口電路調整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對傳感器應用實例的原理和智能傳感器實例的分析了解，才能將傳感器和信息通

6、信與信息處理結合起來，適應傳感器的生產、研制、開發(fā)和應用。另一方面，傳感器的被測信號來自于各個應用領域，每個領域都為了改革生產力、提高工效和時效，各自都在開發(fā)研制適合應用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本文利用單片機結合溫度傳感器技術而開發(fā)設計了這一溫度測量系統(tǒng)。文中將傳感器理論與單片機實際應用有機結合，詳細地講述了利用熱電阻作為溫度傳感器來測量實時的溫度，以及實現(xiàn)熱電轉

7、換的原理過程。本設計系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號放大電路，A/D轉換模塊，數據處理與控制模塊，溫度顯示模塊五個部分。具體設計就是利用鉑電阻的溫度特性設計溫度傳感器，將鉑電阻接入電橋電路，再經差動放大電路放大成05V的電壓信號。采用ADC0809將電壓信號轉換成數字信號送入單片機AT89C52，單片機進行標度變換，輸出相應的溫度并送入四位八段數碼顯示管動態(tài)顯示。此外，利用軟件實現(xiàn)平均濾波和非線性補償，以減小測量誤差。一、 總體設計方案1.1設計方案論證根據鉑電阻PT100的溫度特性，將鉑電阻接入電橋電路，再把電橋電路輸出的微弱的電壓信號送到前置放大電路處理，由A/D轉換器把模擬電壓信號轉換成數字信號

8、，并送入單片機中。單片機接收到該測量數字信號后，調用存放在存儲器中的程序對其進行各種智能化處理，如進行非線性補償、平均濾波、各種進制的轉換等，最后得出在允許誤差范圍內的測量溫度值，并由4位LED顯示器動態(tài)顯示測得的溫度值。根據原理，前端電路可以設計成一級放大、二級放大和三級放大。三、二級放大設計的方法可以將每一級的放大倍數設計成個位數，但是系統(tǒng)隨著放大器個數的增加而不穩(wěn)定。一級放大器設計方法輸出穩(wěn)定，設計簡單，但是放大倍數比較大，可能導致放大飽和。最終通過搭電路試驗確定，采用一級放大系統(tǒng)比較穩(wěn)定。1.2方案的總體設計框圖鉑電阻溫度測量電橋放大電路采樣A/D轉換電路單片機及外圍電路LED顯示電路

9、二、元件選擇與說明2.1溫度傳感器溫度傳感器選用線性度較好的鉑電阻PT100，將鉑電阻接入電橋使用。鉑電阻是將0.050.07的鉑絲繞在線圈骨架上封裝在玻璃或陶瓷管等保護管內構成。它的電阻Rt與溫度t的關系為：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro系溫度為0時的電阻值。A3.9684×103，B5.847×107。熱響應時間是在階躍溫度作用下，熱電阻的輸出變化值相當于階躍變化的50時,所需的時間，用0.5來表示。下表列出了PT100鉑電阻的溫度和阻值對應關系溫度0123456789（）電阻值（）2092.0491.6491.2490.8490.4490.0489.64

10、89.2488.8488.441098.0395.6395.2394.8394.4394.0393.6393.2492.8492.440100.0099.6099.2198.8198.4198.0197.6297.2296.8296.420100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.5710103.96104.36104.75105.15105.54105.94106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.0711

11、1.4630111.85112.25112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.3940115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.3150119.70120.09120.48120.87121.26121.65122.04122.43122.82123.21 表12.2 ADC0809模數轉換器本次設計采用的是ADC0809進行模數轉換。ADC0809（圖2）是八位逐次逼近式CMOS單片A/D轉換器。以下介紹各引腳的功能：ADDA,ADDB,ADDC：地址選擇信號。圖2AL

12、E：地址鎖存允許信號，高電平有效，上升沿將ADDA,ADDB,ADDC鎖存，若ALE一直接高電平，則多路模擬開關中的某一路就成為直通方式，一直接通。START：啟動轉換信號，高電平有效，上升沿清除A/D轉換電路中的逐次逼近寄存器，下降沿啟動內部控制邏輯，開始轉換。常將STAR與ALE短接，由同一脈沖信號進行控制。EOC：轉換結束信號，START的下降沿啟動轉換后，經過一定的延遲，EOC由高變低，在轉換結束時，再低變高。OE：輸出允許信號，高電平有效時，使三態(tài)緩沖器脫離三態(tài)，將轉換后的數字量送至外部數據總線（D0D7）。Vref+,Vref-：參考電壓正端和副端，它們是內部八位A/D轉換電路中電

13、阻網絡兩端所需外加的參考電壓端。D0D7：外部數據輸入總線，與CPU的數據總線相連。IN0IN7：模擬電壓輸入端，根據需要輸入電壓可以加到一路或若干路，也可以全加，但轉換時每次只選擇一路進行。CLOCK：時鐘信號輸入端Vcc：電源電壓輸入端，接+5V。GND：接地端。2.3 AT89C52單片機本次設計采用的單片機是 AT89C52（圖3），其引腳功能如下所述。P0口:p0口是一組8位漏極開型雙向I/O口。作為輸出口時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時,可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據線復用，在

14、訪問期間激活內部上拉電阻。圖3P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的的8位雙向I/O口，P1的輸入緩沖級可驅動四個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。P1.0和P1.1還可以分 別作為定時/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。P2口：P2是一個帶內部上拉電阻的的8位雙向I/O口，P2的輸入緩沖級可驅動四個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。在訪問外部程序存儲器或16位地址的數據存儲器時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口送出P2鎖

15、存器的內容。P3口：P3口是一組帶有拉電阻的8位雙向I/O口。P2的輸入緩沖級可驅動四個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。Vcc為電源正端，Vss為接地。Vcc接典型值5VRST：復位引腳，輸入高電平使89C52復位，返回低電平退出復位。/VP:運行方式時，為程序存儲器選擇信號，接地時CPU總是從外部存儲器中取指令，接高電平時CPU可以從內部或外部取指令；flash編程方式時，該引腳為編程電源輸入端VP（+5V或12V）。：外部程序存儲器讀選通信號，CPU從外部存儲器取指令時，從引腳輸出讀選通信號（負脈沖）。：運行方式時，ALE為外部存儲器

16、低八位地址鎖存信號，flash編程方式時，該引腳為編程脈沖輸入端。X1，X2：內部振蕩器電路（反相放大器）的輸入端和輸出端，外接晶振電路。P0，P1，P2：八位輸入輸出口。RXD，TXD：串口輸入輸出。，：外部中斷0，1的輸入線。T0，T1：定時器T0，T1外部計數脈沖輸入線。，：外部數據存儲器寫，讀脈沖輸出線。2.4 運算放大器圖4本次設計采用的運算放大器是LM324N。LM324N為四運放集成電路（圖4），采用14腳雙列直插塑料封裝。內部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，LM324N工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負雙電源±15V±15V工作。它的

17、輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為OVcc。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放大器可用如圖所示的符號來表示，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相位相反；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。2.5 LED數碼顯示管設計選用七段LED數碼管（圖6），這種數碼管是利用7個LED（發(fā)光二極管）外加一個小數點的LED組合而成的顯示設備，可以顯示09等10個數字和小數

18、點。這類數碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同接點com，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數點）；共陰極則是把所有LED的陰極連接到共同接點com，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數點）。設計采用共陽極數碼管，如圖7所示。圖中的8個LED分別與上面那個圖中的ADP各段相對應，通過控制各個LED的亮滅來顯示數字。 圖5 圖6 圖7 實際的數碼管的引腳排列.對于單個數碼管來說，從它的正面看進去，左下角那個腳為1腳，以逆時針方向依次為110腳，左上角那個腳便是10腳了，上面兩個圖中的數字分別與這10個管腳一一對

19、應。3腳和8腳是連通的，這兩個都是公共腳。2.6 7805穩(wěn)壓管圖8 7805穩(wěn)壓管7805因為設計的單元電路需要穩(wěn)定的5V電壓作為電源，所以選用三端穩(wěn)壓集成電路7805（圖8），以便輸出需要的電壓。7805這種三端穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92 封裝。用 78/79系列三端穩(wěn)壓IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠 、方便，而且價格便宜，所以電子制作中經常采用。三.單元電路設計3.1電源電路根據芯片資料，穩(wěn)壓管7805輸入

20、輸出與地之間應當接0.33微法和0.11皮法的電容，但由于器件的限制，實際電路中直接用9V電池的正極作為穩(wěn)壓管7805的輸入，電池負極接地，實測輸出電壓為5.01V，符合要求。實際的電源電路如圖9所示。 圖9 3.2 晶振電路圖10AT89C52等COMS型單片機內部有一個可控的反相器，引腳XTAL1,XTAL2為反相放大器的輸入端和輸出端，在XTAL1,XTAL2上外接晶振和電容便組成振蕩器。設計時電容C1,C2選用27皮法。振蕩器的頻率主要取決于晶振的頻率，設計選用的晶振頻率為12MHz。晶振電路如圖10所示。3.3 上電復位電路在RST引腳上輸入2個機器周期以上的高電平，機器便進入復位狀

21、態(tài)，此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3輸出高電平，RST上輸入返回低電平以后，便退出復位狀態(tài)開始工作。上電復位電路如圖11所示。 圖11 3.4前端信號測量電路Ub電橋電路如圖12所示。其中R9、R10為1千歐的電阻。Rt1為PT100鉑電阻溫度傳感器，傳感器在100攝氏度時的理論接入阻值為92.16歐，實際電路的R3的接入阻值為90歐。RT即為鉑電阻PT100，其電阻值隨溫度的變化而變化，具體見鉑電阻分度表。電橋輸出電壓U。的表達式如下：Uo=5/(Rpt/(1000+Rpt)-92/1092)此需要將電橋電路輸出的電壓通過差動放大電路放大到或接近5V。通過計算差動放大電路需要放大

22、約30倍。經運放放大后輸出電壓Uo的表達式如下：Uo=150/(Rpt/(1000+Rpt)-92/1092)圖12四總體電路及相關說明本設計是采用AT89C52單片機作為主控電路，其中P0口為A/D轉換器的通信端口，P0口接數碼管的段碼，P2口接數碼管的片選端，用于對數碼管進行片選。如圖13所示。 圖14圖2-9 單片機控制電路五軟件設計5.1系統(tǒng)軟件設計說明進行微機測量控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個測量對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機測量控制系統(tǒng)設計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件設計更為重要。在單片機測量控制系統(tǒng)中，大體上可分為數據處理、過程

23、控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便達到測量控制目的。軟件設計主要是對溫度進行采集、顯示,因此，整個軟件可分為溫度采集子程序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。5.2程序流程及清單主程序開始初始化程序調用求平均值子程序判斷A/D轉換完成調用數值轉換程序調用顯示子程序結束#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table=0x0c0,0x0f9,0x0a4,0x0b0,0x99,0

24、x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x0bf;uchar disp4; /定義數組變量sbit ST=P30; /定義START引腳sbit OE=P31; /定義OE引腳sbit EOC=P32; /定義EOC引腳sbit p17=P17; /定義數碼管小數點int getdata,temp;void delay(uint z);void display();void main()/A/D啟動轉換程序：while(1) OE=0; /剛開始禁止將轉換結果輸出ST=0;ST=1；ST=0; /啟動AD轉換開始while(EOC=0); /等待轉換結束 OE=1; /允許轉換結果輸

25、出/平均值濾波程序：void average（） for(i=0;i<8;i+)初始化設置八個數求和求平均值開始返回sum=0；sum=sum+P0;sum=sum/8; getdata=sum; /將轉換結果賦值給變量getdatasum=0； delay(1); OE=0; /禁止轉換結果輸出/數據轉換程序： temp=getdata*1.0/255*500; /將得到的數據進行處理 if(temp<113) temp=(112.7-temp)/0.46;disp0=temp%10; /取得個位數disp1=temp/10%10;/取得十位數 disp2=temp/100;/取

26、得百位數 disp3=10;/取得千位數display(); /調用顯示子程序 else temp=(temp-113)/0.45; disp0=temp%10; /取得個位數 disp1=temp/10%10;/取得十位數 disp2=temp/100;/取得百位數 disp3=0; display();/延時程序：void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/顯示程序：顯示符號位及延時顯示個位數及延時顯示小數位及延時開始顯示十位數及延時返回void display() /將顯示結果在數碼管中顯示 P2=0x07;P1=tabledisp0;delay(1);P