高精度测温系统的研制_毕业设计.doc

摘摘 要要 温度的精密控制对现代企业生产的影响越来越深，而高精度的温度测量技 术是决定温度控制精度的前提。随着温度控制精度的进一步提高，普通的测温 传感器已经无法满足生产的需求，而且在现场的生产环境中存在大量的干扰， 要求温度测量装置在满足高精度的前提下，还要求高稳定性和强抗干扰性。本 文在综合多种的测温技术方案的前提之下，决定采用 mc9s12xs128 单片机为 核心控制芯片，以非平衡桥来驱动三线制 pt1000 铂电阻测温电路，并且对温度 测量系统中涉及的非平衡电桥、信号调理电路、控制算法等部分的机构和原理 进行了初步研究。系统通过单片机的片内 a/d 模块，把测温电桥的输出信号采 集到单片机内部，再设定和调试相关参数，把温度数据通过 rs232 串口线上传 给上位机，再由上位机进行控制及相关参数的实时显示和记录。通过多次试验， 该测温系统能够可靠的工作。 关键词：关键词：温度测量 单片机 rs232 电阻测温器 毕业设计（论文）说明书 第 2 页 共 40 页 装 订 线 abstract precise temperature control has the increasing influence on the modern enterprise producing, and high-precision temperature measurement technique is to determine the accuracy of temperature control of the premise. with the further improving of the precision of temperature control, the ordinary temperature sensor has been unable to meet production needs, and there is a lot of interference in the production environments. the temperature measuring devices has to meet the requirements under the premise of high accuracy, high stability and strong anti-interference also should be considered. after comparing the variety of temperature measurement we decided to adopt mc9s12xs128 microcontroller as the core control chip, the three-wire pt1000 platinum resistance drived by unbalanced bridge as temperature measurement circuit. we studied signal conditioning circuitry, control algorithms and other parts of the body. the system sampled output signal of the bridge of the temperature to the internal microcontroller through a / d module, then set the relevant parameters, the temperature data via rs232 serial line to the host computer, and then be controlled by the host computer to display and to record related parameters. through several experiments, the temperature measurement system can work reliably. keywords: temperature detection, microcontroller , 232 bus , rtd (resistance temperature detector ) 毕业设计（论文）说明书 第 3 页 共 40 页 装 订 线 摘摘 要要 .1 abstract2 第一章第一章 绪论绪论 .6 1.1 研究背景.6 1.1.1 温度传感器的概念6 1.1.2 温度测量的意义6 1.1.3 常用温度传感器的分类6 1.1.4 温度测量控制技术的国内外研究现状7 1.2 基于 pt1000 的高精度温度采集系统8 1.2.1 研究意义.8 1.2.2 待解决的问题.8 1.3 本文研究内容.8 第二章第二章 传感器、单片机及开发工具传感器、单片机及开发工具 .10 2.1 热电阻10 2.1.1 热电阻的组成结构10 2.1.2 工作原理10 2.1.3 热电阻接线.10 2.2 热电阻 pt1000 介绍11 2.3.2 时钟模块.13 2.3.3 看门狗.13 2.3.4 中断模块.13 2.3.5 串口通讯 sci 模块.14 2.3.6 模数（a/d）转换模块.14 2.4 codewarrior5.0 开发环境介绍.15 2.5 protel dxp 2004 集成环境16 2.6 基于 visual basic 6.0 的上位机系统 17 第三章第三章 温度测量系统的设计温度测量系统的设计 .22 3.1 温度测量系统概述19 3.2 温度采集系统的基本原理19 3.3 上位机与测温探头通讯示意图.19 3.4 测温探头主要模块.20 3.4.1 测温探头的硬件模块.20 3.4.2 测温探头的软件模块.21 毕业设计（论文）说明书 第 4 页 共 40 页 装 订 线 第四章第四章 测温探头的硬件设计测温探头的硬件设计 .22 4.1 电源管理模块.22 4.2 恒压源模块.22 4.3 非平衡电桥23 4.4 温度信号处理模块.24 4.5 rs232 通讯模块.26 4.6 单片机最系统模块27 第五章第五章 测温探头的软件设计测温探头的软件设计 .28 5.1 程序流程图.28 5.2 温度采样.28 5.3 程序滤波.29 5.4 线性化补偿.29 5.5 rs232 传输.29 第六章第六章 实验数据及参数实验数据及参数 .30 6.1 温度测量.30 6.1.1 温度与温标30 6.1.2 温度测量的主要方法30 6.2 pt1000 测温实验31 6.2.1 电阻箱标定.31 6.2.2 温度采集及 rs232 通讯实验.32 6.3 热电阻 pt1000 测温电路调试体会33 第七章第七章 总结与展望总结与展望 .34 致谢致谢 .35 参考文献参考文献 .36 附录附录 1 1 37 附录附录 2 2 38 附录附录 3 3 39 附录附录 4 4 40 毕业设计（论文）说明书 第 5 页 共 40 页 装 订 线 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 研究背景研究背景 1.1.1 温度温度传感器的传感器的概念概念 温度传感器是指能感受温度并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装 置，通常由敏感元件和转换元件组成。温度传感器将检测到的温度信息按一定 形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要前提。温度是一个基本的物理量，自然界 中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类 传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从 17 世纪初人们开 始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电 偶传感器、pn 结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相 互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 1.1.2 温度温度测量的测量的意义意义 温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，在工 业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此温 度是一个十分重要的物理量,研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 随 着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测 与控制温度:如大气及空调房中温度的高低,直接影响着人们的身体健康；在大 规模集成电路生产线上,环境温度不适当,会严重影响产品的质量；恒温育苗室 内温度的控制对育苗的质量影响也很大。 温度传感器作为在各种控制场合经常使用的传感器，它的性能好坏会直接 影响到系统性能。因此，要选择适当的传感器，不仅要掌握各种类型传感器的 结构、原理及性能指标，还必须懂得传感器的信号应该如何获取、处理。现在 越来越多的传感器被用于各个领域，且为了提高自身的功效、时效及生产力， 各领域的专家们也在自主研发适用于该领域的传感器，于是种类繁多的新型传 感器及传感器系统不断涌现。 1.1.3 常用温度传感器常用温度传感器的分类的分类 温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接 触式和非接触式两大类: 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温 度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的 温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的 温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误 毕业设计（论文）说明书 第 6 页 共 40 页 装 订 线 差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温 度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。 非接触式温度传感器，它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式 测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速 （瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触 式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮 度法（见光学高温计） 、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计） 。 各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑 体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体 的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。 1.1.4 温度测量控制技术的国内外研究现状温度测量控制技术的国内外研究现状 温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农 业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量 参数。在温度测量方面各国均取得了很多成果,其中前苏联的压电石英频率温度 计分辨能力可达 0.0001,理论上可达 0.00001,而且在-40230范围内具 有温度与频率的线性特性;日本利用所谓石英温度频率转换器-80200的温 度范围,最大分辨率达 0.0001;美国标准局研制的电阻温度计 25 欧标准铂电 阻温度计,电桥分辨 0.00002;我国生产的石英温度传感器分辨率达到 0.0001,误差在 0.05以内,中国航天工业总公司 702 所研制的 5901(stp- 1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为 0.5%,快速响应时间小于 0.013s。 传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特 点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些 新技术的发展,其应用范围更加拓展。 1)薄膜温度传感器 在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟 而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动 小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐 压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面 温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服 了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域 应用更为广泛。 2)辐射测温技术 随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技 术得到了更多的应用。具体表现在:(1)测温范围从高温、中温向中、低温部分 拓展;(2)准确度和稳定性更高;(3)工作波段多样化, 可根据被测对象的特性选 毕业设计（论文）说明书 第 7 页 共 40 页 装 订 线 择;(4)从点测量发展到二维面测量;(5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点。 3)光纤测温技术 黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将 黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔 式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电 偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普 通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电 偶。 1.21.2 基于基于 pt1000pt1000 的高精度温度采集系统的高精度温度采集系统 1.2.1 研究意义研究意义 在工业和医学等诸多领域，高精度的温度测量都有着很广泛的应用。例如 在炼铁生产中, 操作人员经常要检测和观察高炉冷却水包的进、出水温差。该 温差可反映高炉的完好和运行情况以首钢集团迁安钢铁厂高炉为例, 炉喉冷却 水的进、出水温差应该在 0. 3 0.7 , 如果进、出水温差超出这个范围, 工作人 员就要采取相应措施; 如超过 0.9 就意味着出现事故, 人员可能就要撤离。因 此水温差测量是炼铁过程中的一项重要工作, 水温差测量的精度要求也很高6。 在煤矿和火电厂广泛应用的煤质分析仪中，需要对一定质量的煤燃烧后所导致 的一定质量的水的温度变化进行精确测量，并根据水温变化幅度对煤的质量进 行评估。 在医学上用于生命科学研究和基因诊断的 pcr(聚合酶链式反应)热循环仪 中，也同样需要对水或油的温度变化进行精确的测量。高精度的温度测量能够 提高生产的安全性和产品质量。 1.2.2 待解决的问题待解决的问题 精密化学、生物医药、精细化工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求 极高，而温度控制的核心正是温度测量。采用铂电阻测量温度是一种有效的高 精度温度测量方法，但具有以下难点：引线电阻、自热效应、外部噪声的干扰、 元器件漂移和铂电阻传感器精度。其中，减小引线电阻的影响是高精度测量的 关键点。对于自热效应，根据元件发热公式 p=i2r，必须使流过元件的电流足 够小才能使其发热量小，传感器才能检测出正确的温度。但是过小的电流又会 使信噪比下降，精度更是难以保证。此外，一些元器件和仪器很难满足元器件 漂移和铂电阻传感器精度的要求。 毕业设计（论文）说明书 第 8 页 共 40 页 装 订 线 1.1.3 3 本文研究内容本文研究内容 本设计以飞思卡尔 mc9s12xs128 单片机为温度采集系统的控制器，首先 介绍了热电阻的基本原理，然后依次介绍单片机各个模块的功能，之后又分别 简单介绍了 codewarrior 5.0、protel dxp 及 visual basic 6.0 等软件，最后介绍 了温度测量系统的总体设计及其相关模块，另外还设计了整个系统的程序算法。 毕业设计（论文）说明书 第 9 页 共 40 页 装 订 线 第二章第二章 传感器、单片机及开发工具传感器、单片机及开发工具 2.12.1 热电阻热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高， 性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温， 而且被制成标准的基准仪。 2.1.1 热电阻的组成结构热电阻的组成结构 金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结 构等。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金 属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁镍、钨、银等。薄膜热电阻是 利用电子阴极溅射的方法制造，可实现工业化大批量生产。其中骨架用陶瓷， 引线采用铂钯合金。 2.1.2 工作原理工作原理 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的 特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始 采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递 到计算机控制装置或者其它一次仪表上。 2.1.3 热电阻接线热电阻接线 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号 通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生 产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较 大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式：二线制、三线制、四线制，如 下图所示： ba rt 图 2.1(a) 两线制 cba rt 图 2.1(b) 三线制 dba rt c 图 2.1(c) 四线制 毕业设计（论文）说明书 第 10 页 共 40 页 装 订 线 两线制：两线制： 在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制， 如图 2.1(a)所示。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻 r，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精 度较低的场合。 三线制：三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方 式称为三线制，如图 2.1(b)所示，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的 消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。三线制要求引出的三根 导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为 电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电 阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知： (2-1) 131 t 22 r rr r r = + - r rr 其中 r 为导线等效电阻，当 r1=r2 时，导线电阻的变化对测量结果没有任 何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥， 否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导 线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。 四线制四线制: : 在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，如图 2.1(c)所示，其中两根引线为热电阻提供恒定电流i，把r转换成电压信号u，再 通过另两根引线把u引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影 响，主要用于高精度的温度检测。四线制是当测量电阻数值很小时，测试线的 电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测 试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不 流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。 2.22.2 热电阻热电阻 pt1000pt1000 介绍介绍 毕业设计（论文）说明书 第 11 页 共 40 页 装 订 线 050100 1000.00 1385.06 1193.97 r r（） t t( () ) 图 2.1 pt1000 温度特性曲线 铂电阻传感器是利用金属铂（pt）的电阻值随温度变化而变化的物理特性 而制成的温度传感器。铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺 寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学 性能稳定，长期复现性好，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。 但铂在高温下，易受还原性介质的污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的 线性关系，因此使用时应装在保护套管中。以铂电阻作为温度原件进行测温的 关键是要能够准确的测量出铂电阻传感器的电阻值。通常使用的铂电阻温度传 感器有 pt100，pt1000，按 iec751 国际标准，温度系数 tcr=0.003851，pt100（r0=100）、pt1000（r0=1000）为统一设计型铂电阻。 其温度电阻特性是： 当-200ad_value_bufi+1) temp = ad_value_bufi; ad_value_b