智能温度测量仪课程设计.doc

Pt100Pt100 温度传感器温度传感器 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让 温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定 的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接 触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一 般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热 电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变 化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热 电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高 温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的 热电阻如 PT100、PT1000 等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传 感器，如 DALLAS 公司 DS18B20，MAXIM 公司的 MAX6576、MAX6577，ADI 公司的 AD7416 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如 DS18B20 该温度传 感器为单总线技术，MAXIM 公司的 2 种温度传感器一个为频率输出，一个为周 期输出，其本质均为数字输出，而 ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近年也比 较流行的 I2C 总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极 大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125， 而且温度的测量精度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度 的场合不太满足用户的需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构 简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优 点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不 同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分 度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高 低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽， 精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标 的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感 器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温 度等多种其它因素的影响。 本设计的要求是采用“PT100”热电阻，测温范围是-200+600，精度 0.5%，具体的型号选为 WZP 型铂电阻。 AT89C51AT89C51 单片机单片机 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器 （FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位 微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存 储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出 管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单 片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 LCDLCD 显示器显示器 液晶显示器是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和 CRT 显示器相比，LCD 的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗， 当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳 定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。LCD 显示器还通过 液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。 系统总体设计介绍系统总体设计介绍 测温的模拟电路是把当前 PT100热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量 的电压值，经过放大器放大信号后送给 A/D 转换器把模拟电压转为数字信号后 传给单片机 AT89C51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值 转换为温度值，并将数据送出到 LCD 显示器进行显示。 本设计系统主要包括温度信号采集单元，单片机数据处理单元，温度显示 单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电 路（采样） 、放大电路、A/D 转换电路。 系统的总结构框图如图 1-1 所示。 1-1 系统的总结构框图 本温度测量系统设计，是采用 PT100 温度传感器经过放大和 A/D 转换器送 到单片机进行控制温度显示。另外本系统还可以通过外接电路扩展实现温度报 警功能，从而更好的实现温度现场的实时控制。 经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要求，由于受人为因素 和软硬件的限制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减 小误差。 通过本次温度测量系统的设计，我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更 深入的学习。在整个设计的过程中，本设计的重点和难点是：怎样将 PT100 热 电阻的非电量信号转换为单片机单片机能识别的电量信号，其中的信号如何放 大及放大倍数的确定等等。 硬件设计硬件设计 PT100PT100 传感器特性和测温原理传感器特性和测温原理 电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物 质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。 PT100 温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻 系 数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示： 在 080范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-200范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) 式中 A、B、C 为常数， A=3.9684710-3； B=-5.84710-7； C=-4.2210-12； 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻 和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T) 其中 =0.00392, Ro 为 100(在 0的电阻值),T 为华氏温度，因此铂做 成的电阻式温度传感器，又称为 PT100。 PT100 温度传感器的测量范围广：-20+80，偏差小，响应时间短， 还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用， 本设计即采用 PT100 作为温度传感器。 主要技术指标：1. 测温范围：-2080 摄氏度；2. 测温精度：0.5 摄氏度； 3. 稳定性：0.5 摄氏度 Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常 是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字 信号，再由处理器换算出相应温度。采用 Pt100 测量温度一般有两种方法： 1、设计一个恒流源通过 Pt100 热电阻，通过检测 Pt100 上电压的变化来 换算出温度； 测温原理：通过运放U1A将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100 时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为 10） ，即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。 根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位” ，运放 U1A的“+”端和“-”端电位V+V-4.096V；假设运放U1A的输出脚1对地电压 为Vo，根据虚断概念， （0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt1000，因此电阻Pt100上的 压降VPt100Vo-V-V-*RPt100/R1，因V-和R1均不变，因此图1虚线框内的电路等 效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V- /R1，Pt100上的压降仅和 其自身变化的电阻值有关。 设计及调试注意点： 1. 等效恒流源输出的电流不能太大，以不超过1mA为准，以免电流大使得 Pt100电阻自身发热造成测量温度不准确，试验证明，电流大于1.5mA将 会有较明显的影响。 2. 运放采用单一5V供电，如果测量的温度波动比较大，将运放的供电改为 15V双电源供电会有较大改善。 3. 电阻R2、R3的电阻值取得足够大，以增大运放的U1B的输入阻抗。 图 1 恒流源式测温电路 由于封装问题，实际原理图如下： 通过了这个课程设计，我深深的体会到了。理论知识不单单能在考试中 使用，而且还可以在生活实际中体现它的价值。在这个过程中我没有单纯用一 颗的知识。总结了我所学过的很多课。终于体会到了，实习对于知识总体把握 的能力。 虽然系统的基本功能都已实现，但还是存在系统不稳定等多个问题 尚待解决。这个系统主要是我自己开发的，但也得到了老师和同学的很大帮助。 我正在做系统的过程中遇到了很多问题，有的是知识存储不足，有的是考虑不 够周全，之所以能够顺利实现基本功功能，离不开老师和同学的大力相助。事 实证明，只靠自己是不能顺利完成一套功能完整的系统的，必须充分利用团队 的力量。 开发一套系统，最重要的是细心，并不是一定要做到面面俱到，但也要充 分考虑到客户的需求和现实意义，不管什么系统，只用运