測控電路課程設計：溫度測量控制系統(tǒng)

1、測控系統(tǒng)設計論文題目： 溫度測量控制系統(tǒng) 目 錄1.摘要31.1指導思想31.2基本設計內容及要求31.3電路特點32.電路設計32.1總體設計思想32.1.1方案論證32.1.2原理框圖32.1.3硬件設計思想42.2各主要部件及電路工作原理42.2.1單片機電路42.2.1.1時鐘顯示42.2.1.2復位電路52.2.1.3程序流程圖62.2.1.4鍵盤流程圖72.2.2溫度信號的獲取與放大72.2.2.1PT100溫度傳感器72.2.2.2信號放大電路92.2.2.3溫度值計算過程92.2.3模數(shù)轉換單元電路92.2.4按鍵電路112.2.5顯示電路122.2.6電熱杯控制電路143.數(shù)

2、據(jù)的處理144.小結155.設計體會及今后的改進意見155.1體會155.2改進意見15參考文獻16附錄：元器件清單171摘要溫度的測量是生產生活中時常需要的工作，進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。Abstract:Temperature measurement is the production of life often need to work, in the 21st century, the temperature sensor is headed in high prec

3、ision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safety, development virtual sensor and network sensor, research monolithic temperature measuring system and other high-tech direction develop rapidly.關鍵詞：High precision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safet

4、y1.1指導思想本課題以PT100熱電阻為溫度檢測元件，設計了一個對單點溫度實時檢測的單片機溫度檢測系統(tǒng)。1.2基本設計內容及要求使用PT100溫度傳感器（電阻值隨溫度變化），設計傳感器放大電路，將傳感器的電阻值轉變?yōu)?5V電壓信號，將溫度值顯示出來。再設計控制電路，控制一個300W電熱杯溫度，使其能夠穩(wěn)定在設定的溫度值。1.3電路特點設計以測量顯示部分電路為主，以單片機系統(tǒng)為核心，對單點的溫度進行實時測量檢測。并采用熱電阻PT100作為溫度傳感器、op07作為信號放大器、ADC0809作為A/D轉換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，

5、具有更高的性價比。2電路設計2.1總體設計思想2.1.1方案論證 方案1：采用單片機測量并控制溫度，測量電路采用電橋電路。此方案硬件電路簡單，但是需設計復雜的軟件電路。 方案2：采用模擬電路測量并控制溫度，測量電路采用電橋電路。此方案電路復雜，但是不需要軟件電路的支持。 采用方案1，此方案硬件電路簡單，易于構成。雖然軟件復雜，單片機程序易于獲取，且可以用軟件校正溫度的測量，使測量結果更加精確。2.1.2原理框圖 按鍵顯示電路控制電路測量電路2.1.3硬件設計思想電路中單片機采用的是89C51，是我們書中常用的單片機型號。在溫度信號的獲取與放大電路中，以PT100為溫度傳感器獲取溫度信號，以放大

6、器op07為信號放大器件。電熱杯控制電路中，由于電熱杯是使用220v的強電，故需要與單片機電路隔離，采用的是繼電器控制電熱杯。用7409驅動繼電器，二極管作為繼電器的保護電路。顯示電路中由于需要顯示帶小數(shù)點的4位數(shù)字，采用的是4個Bcd7段帶小數(shù)點的共陰數(shù)碼管顯示測量值，用8255擴展單片機的輸出端口。鍵盤電路中采用的是三個獨立式按鍵修改溫度的恒定值,按鍵分別是加、減、功能鍵。按下功能鍵便可修改溫度值，按功能鍵不同次數(shù)可以選擇加減的幅值，再次按功能鍵確定。A/D轉換的好與壞直接關系到整個系統(tǒng)的精確度。由于本系統(tǒng)測量的是溫度信號，響應時間長，滯后大，不要求快速轉換，因此選用8位串型A/D轉換器A

7、DC0809便能能達到設計的基本要求。為進一步提高精度，可以直接采用12位A/D轉換器，也可以采用過采樣和求均值技術來提高測量分辨率。因為8位ADC0809其性價比更高，更重要的是我在課本上學的就是ADC0809，對它更加熟悉，所以本次設計我選用了ADC0809作為模數(shù)轉換器。2.2各主要電路及部件工作原理2.2.1單片機電路單片機采用89C51。AT89系列單片機對于一般用戶來說，有下列明顯的優(yōu)點：內部含有Flash存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。與MCS-51系列單片機引腳兼容，可以直接進行代換。AT89系列并不對80C31的簡單繼承，功能進一步增強，

8、在我國這種單片機受到廣泛青睞。2.2.1.1時鐘顯示單片機內部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。單片機的時鐘產生方式有兩種。 內部時鐘方式。 外部時鐘方式。 圖1 單片機的2種時鐘方式2.2.1.2復位電路單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的。單片機工作后，只要在它的RST引線上加載高電平，單片機就能夠有效地復位。單片機通常采用上電自動復位和按鍵復位兩種方式。 圖2 單片機的2種復位電路單片機仿真引腳圖： 圖3 單片機電路2.2.1.3程序流程圖程序主要由主程序和子程序兩部分構成。 主程

9、序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，鍵值處理，A/D轉換，顯示數(shù)據(jù)。程序框圖如下：圖4 程序流程圖2.2.1.4鍵盤流程圖鍵盤框圖如圖5.2.2.2溫度信號的獲取與放大在本電路中，以PT100為溫度傳感器獲取溫度信號，以放大器op07為信號放大器件。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器OP07的輸入端，經過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數(shù)字量。2.2.2.1PT100溫度傳感器PT100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱電阻傳感器，主要技術參數(shù)如下： 測量范圍：-

10、200+850； 允許偏差值： A級 ， B級 ； 響應時間30s； 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm； 允通電流5mA。另外，PT100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。 圖5 鍵盤流程圖鉑熱電阻的線性較好，在0100攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻阻值與溫度關系為： -200t0時，； 0t850時，；式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735?？梢奝T100在常溫0100攝氏度之間變化時線性度非常好，其阻值表達式可近似簡化為：，當溫度變化1，PT100阻值近似變化0.

11、39。2.2.2.2信號放大電路對信號放大，我使用了低價格、高精度的儀器放大器OP07，它運用方便，O是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，可以通過外接電阻方便的進行各種增益的調整。其增益計算公式為： (1)2.2.2.3溫度值計算過程由于A/D檢測到的模擬電壓值 (2)計算可到的值，然后利用如下公式求出溫度值： (3)其中，。圖6 溫度的獲取與放大電路2.2.3模數(shù)轉換單元電路ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及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。它是美國國家半導體公司的產品，是目前國內最廣泛的8 位通用的A

12、/D轉換的芯片。 ADC0809的內部邏輯結構如圖2-2所示。 圖7 ADC0809內部邏輯結構由上圖可知，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)。 引腳結構如圖2-3 所示。圖8 ADC0809引腳結構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，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送入轉換器

13、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。通道選擇表1如下：CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 表1 通道選擇模數(shù)轉換電路仿真圖：圖9 A/D轉換電路2.2.4按鍵電路鍵盤電路中采用的是三個獨立式按鍵修改溫度。按鍵電路仿真圖：圖10 按鍵電路2.2.5顯示電路在單片機應用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 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8為0.5英尺

14、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“”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11 LED數(shù)碼管當LED數(shù)碼管與單片機相連時，一般將LED數(shù)碼管的各筆段引腳a、b、g、Dp按某一順序接到MCS51型單片機某一個并行I/O口D0、D1、D7，當該I/O口輸出某一特定數(shù)據(jù)時，就能使LED數(shù)碼管顯示出某個字符。LED數(shù)碼管編碼方式有多種，按小數(shù)點計否可分為七段碼和八段碼；按共陰共陽可分為共陰字段碼和共陽字段碼，不計小數(shù)點的共陰字段碼與共陽字段碼互為反碼；按a、b、g、Dp編碼順序是高位在前，還是低位在前，又可分為順序字段碼

15、和逆序字段碼。甚至在某些特殊情況下將a、b、g、Dp順序打亂編碼。表2為共陰極和共陽極LED數(shù)碼管幾種八段編碼表。共陰順序小數(shù)點暗共陰逆序小數(shù)點暗共陽順序小數(shù)點亮共陽順序小數(shù)點暗Dp g f e d c b a16進制a b c d e f g Dp16進制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H3

16、0HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H表2 共陰極和共陽極LED數(shù)碼管幾種八段編碼顯示

17、電路仿真圖：圖12 顯示電路2.2.6電熱杯控制電路電熱杯控制電路采用的是繼電器控制電熱杯，用7409驅動繼電器，二極管作為繼電器的保護電路。其電路仿真圖如下：圖13 電熱杯控制電路3.數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)處理流程圖：圖14 數(shù)據(jù)處理流程圖4.小結 本方案設計完成溫度測量及控制的任務。由總體電路可知此溫度測量控制系統(tǒng)硬件電路由于單片機的使用簡單明了，每一部分功能較為單一集中，便于設計及排查問題，但軟件方面較為復雜。使用PT100作為溫度傳感器元件，可用連續(xù)采樣取平均值的方法減少誤差，使結果較為準確。5.設計體會及今后的改進意見5.1體會 溫度檢測是工業(yè)過程控制中一個重要參數(shù)，在本次課程設計中，通過對

18、測控電路、傳感器和單片機的綜合運用，查閱大量資料，上網搜集信息順利完成了預期的任務。測控電路是測量與控制相結合的課程，需要用到各方面綜合的知識，這也是本學期開設這門課程的目的。在設計過程中，單純一方面的知識是無法完成設計任務的，只有多學科的綜合運用才能順利完成各單元電路的設計，從而達到要求，這是我過去實驗或課程設計所未曾經歷的。 本次測控電路課程設計雖未做出實物來，但同樣鍛煉了我的動手能力，特別是對于Pretel軟件的使用更加熟練，為將來的學習及工作都打下了好的基礎。5.2改進意見 本設計中使用單片機測量溫度，通過繼電器控制單片機的方案，需要準確的單片機程序，并且可以嘗試設計智能系統(tǒng)，控制測量溫度的數(shù)值或范圍，功能將更加完善。參考文獻1張國雄.測控電路 （第三版）.機械工業(yè)出版社.2008.12李華.MCS-51系列單片機實用接口技術.北京航空航天大學出版社.1993.83何道清 張禾 諶海云 .傳感器與傳感器技術（第二版）