基于PT10测温系统设计——毕业设计

1、摘要本设计是基于单片机的温度测量系统，具体采用了at89s51单片机作为核心器件，pt100作为温度传感器，采用tlc2543来实现模拟信号到数字信号的转变，用四位共阳极led数码管作为显示器。根据该温度传感的特性，将温度的变化转换为电压变化，然后结合理论计算，设计调理电路，将输出的模拟信号进行a/d转换，在将数字信号传送到单片机进行处理，并把最终数值通过数码管显示，整个过程中使用protues软件进行仿真来进行调试，并检验设计成果。关键字：at89s51单片机 tlc2543 pt100 调理电路1 方案设计1.1 设计要求 设计一个测温系统，要求测温范围200500， 分辨率为1； 画出系

2、统结构框图， 说明各电路的作用，系统实现的功能； 选择一种合适的温度传感器， 说明选择理由； 说明该温度传感器的工作原理，推导输入输出关系式； 设计模拟信号调理电路，推导温度输入和调理电路输出的表达式； 选择a/d转换器，计算放大器的放大倍数； 设计人机接口电路，（参数如何设置？ 数据如何显示？）； 绘制基于单片机的温度测量系统的硬件电路图； 所采用测量数据的基本处理算法的流程图以及程序设计； 证明所设计的系统能够达到测温范围和分辨率的要求。 1.2 系统框图及原理传感器及其信号调理电路a/d转换电路at89s51单片机显示器及显示电路图1-1 系统的总结构框图该系统的设计原理为：通过感温元器

3、件可以将温度信号转换为电信号，一般选用电压信号，将电压信号经过滤波、放大达到一定要求之后就可以进行a/d转换，从模拟信号变成单片机可以识别和直接处理的数字信号，单片机经过一系列的算法，根据所采得的数字信号的值，反推温度出温度传感器所在环境的温度，并通过led数码管显示相应的温度。1.3 器件的选型及介绍1.3.1 温度传感器的选型 温度传感器可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类，非接触式温度传感器如红外温度传感器一般价格较为昂贵，适用于特备精密的场合，在本设计中明显不符合要求，故采用接触式温度传感器来完成本次设计任务。常用接触式温度传感器主要有热电偶、热电阻以及集成温度传感器三大类

4、： 热电偶热电偶的测温原理：两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度，而这种电动势称为热电动势。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。但由于热电偶普遍的线性度不太好，而且需要做冷端补偿，这样以来增加了电路设

5、计的复杂性，且也给软件编程带来了不方便之处。 集成温度传感器集成温度传感器可分为模拟式温度传感器和数字式温度传感器，前者是将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片ic上，具有实际尺寸小、使用方便、灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，常用的模拟式温度传感器有lm3911、lm335、lm45、ad22103、ad590等；数字式温度传感器将敏感元件、a/d转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出反应被测温度的数字信号，使用方便，但响应速度较慢。但除了集成温度传感器价格较高之外，一般集成温度传感器的测温范围-55+150，远达不到本次设计所要求的200500，故本次设计中不能

6、应用集成温度传感器。 热电阻热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。现阶段主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠。半导体热敏电阻测温范围只有-50300左右, 且互换性较差，非线性严重，但温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上）。故对于本次设计要求的来看，只能采用金属热电阻。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜

7、电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化，所以对于要测量150以上的温度，宜采用铜电阻，其代表产品就是pt100。pt100精度高，线性度较好，测温范围广，价格相对不高，是本次设计的首选温度传感器。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0650范围内：rt =r0 (1+at+bt2)在-2000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

8、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： -200650，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。1.3.2 a/d转换器的选型鉴于本次设计要求测温系统的分辨率为1，测温范围是200500，所以很明显若采用8位的a/d转换器，其分辨率为1.17，不满足要求，本设计可采用德州仪器公司生产的12位开关电

9、容型逐次逼近模数转换器tlc2543，它具有三个控制输入端，采用简单的3线spi串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。tlc2543的主要性能为： 逐次逼近adc,可选择工作于12位或8位； 转换后的数据有12位一次读出，位、位两次读出两种读出方式； 具有可控三态输出缓冲器,ttl电平。 非线性误差：ad574aj为1lsb,ad574ak为1/2lsb； 转换时间:最大转换时间为25us(中档速度)； 输入模拟信号:单极性时,范围为0v10v和0v20v,从不同引脚输入。双极性输入时,范围为0v5v和0v10v,从不同引脚输入。1.3.3 显示器选型 鉴于本

10、设计的只需要显示温度的大小，且需要显示的温度范围在200500间，对精度的要求不太高，可以直接采用四位数码管显示，最后采用了7seg-mpx2-ca四位共阳极led数码显示器。2 硬件电路的设计2.1 信号测量电路根据设计要求，首先需将温度传感器由温度信号转换为的电信号进行处理，使之能够稳定的映射到a/d转换器的功能。鉴于一般使用的都是利用电压信号，而pt100的感温原理是其电阻随温度的变化而变化，为此我们可以使一恒流源串联pt100，然后输出其两端的电压信号。之所以选择串联恒流源的方式，主要是考虑到这样来，输出电压和pt100的电阻值直接成正比关系，有很好的线性，而若采用电桥输出的话，输出电

11、压和pt100的电阻值的关系是非线性的，对于测量精度来讲不太合适，而51单片机处理除法的计算能力较差，这样做会降低系统的反应速度。图2.1测量电路该恒流源是基于lm324进行的设计，通过运放的“虚短”和“虚断”的原则，可以很容易的计算出，流过pt100的电流大小 ：i=un+ /r1 式中un+指的是lm324的正相端输入电压，由图可以发现un+是由tl431组成的电路输出所得，结合滑动变阻器rv2的配合，可以使其输出电压为4.096v，之所以要使输出电压为4.096v，是因为我们所选的a/d转换器是12位的，2的十二次方刚好等于4096，将基准电压设定为4.096v，可以减小进行a/d时的误

12、差。下面对该电路中使用的lm324以及tl431芯片进行一些简单的介绍。 lm324lm324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“v+”、“v-”为正、负电源端,“vo”为输出端。两个信号输入端中,vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端vo的信号与该输入端的位相反;vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。由于lm324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉

13、等优点,因此被广泛应用在各种电路中。 tl431tl431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从vref（2.5v）到36v范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等，其特点如下： 可编程输出电压为36v ； 电压参考误差：0.4 ； 典型值25（tl431b）； 低动态输出阻抗，典型0.22； 负载电流能力1.0ma to 100ma； 等效全范围温度系数50 ppm/典型； 温度补偿操作全额定工作温度范围 ； 低输出噪声电。2.2 信号调理电路的设

14、计信号调理电路需要完成对信号的放大、滤波和偏置放大等任务，是信号实现远传的根本所在，也是单片机对原始信号进行处理前的必备流程，从某种意义上讲，信号调理电路是提高整个系统稳定性和测量精度的根本所在。2.2.1 首级放大电路根据计算公式vin=4.096*rpt100/2k ，式中rpt100表示的是pt100在特定温度下的电阻值，由于需要测量的温度范围为200500，查表可知，其电阻值的大小为175.86280.98之间，这样以来可知用恒流源通过pt100的输出的电压很小，大概为0.360.58v之间，不方便直接作为输入，故需要进行信号放大。图2.2首级放大电路该放大的电路的设计基于op07c实

15、现，op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于op07具有非常低的输入失调电压，所以op07在很多应用场合不需要额外的调零措施。op07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得op07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。此电路的设计，充分考虑到了对op07c供电电源的滤波，以及运放输入电阻平衡的要求，结合运放的特点，经过简单的分析便可知，该放大电路为反相放大器，具体放大倍数为10倍。2.2.2 偏置放大电路经过首级放大电路的处理后，通过计算可以知道输出电压u1n大小为3.655.75v，为了方便，我

16、们所用的a/d转换芯片的基准电压为5v，故需要将首级放大的输出电压拓展为05v。为实现这个目的，可以先对u1n进行偏置得02.1v，然后对这个范围的电压进行2.4倍的信号放大。本设计的偏置放大电路的设计便是围绕着这种思想设计而来。图2.3偏置放大电路该电路的设计原理介绍如下：在本设计的实际应用中，运放的同相端设置了两个输入电压，一个为首级放大电路的输出电压u1n，另一个是利用滑动变阻器分压而得的一个电压值-3.64v，然后令ra=rb=2k，rf=4.8k，使运放的输入电阻满足ra/rb/r=r1/ rf，这样就达到了偏置和放大的要求，在误差允许的范围之类，完全可以满足所需要求。2.3 a/d

17、转换电路前面已经介绍，设计选用的a/d转换芯片为tlc2543，其引脚排列如图所示。 图2-4 tlc2543的引脚ain0ain10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1mhz的i/oclock，驱动源阻抗必须小于或等于50，而且用60pf电容俩限制模拟输入电压的斜率。cs：片选端。在cs由高到低变化时，将复位内部计数器，并控制和使能dataout、datainput和i/oclock。cs由低到高的变化时，将在一个设置时间内禁止datainput和i/oclock。datainput：串行数据输入端，串行数据以msb为前导并在i/oclock的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转

18、换的模拟输入信号或测试电压，之后i/oclock将余下的几位依次输入。dataout：a/d转换结果三态输出端，在cs为高时，该引脚处于高阻状态；当cs为低时，该引脚由前一次转换结果的msb值置成相应的逻辑电平。eoc：转换结束端。在最后的i/oclock下降沿之后，eoc由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输。vcc、gnd：电源正端、地。ref、ref：正、负基准电压端。通常ref接vcc，ref接gnd。最大输入电压范围取决于两端电压差。i/oclock：时钟输入/输出端。tlc2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入cs的时序。在tlc2543的

19、cs变低时开始转换和传送过程，i/oclock的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出dataout端，在i/oclock下降沿时数据变化。当cs为高时，i/oclock和datainput被禁止，dataout为高阻态。本设计中tlc2543与单片机的连接如图所示。图2.5 a/d转换电路2.4 单片机电路及显示电路图2.6单片机电路及显示电路本设计使用51单片机为核心器件，其中p1口（p1.0p1.3）为a/d转换器的通信接口，p2口接数码管的段码，p3口（p3.0p3.3）接数码管的片选端，即负责确定位码。对于单片机而言，需要构建其最小系

20、统。3 软件设计进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。对于本系统而言，软件设计主要包括信号采集程序、信号处理程序、显示程序及主程序三大部分。3.1 信号采集控制程序3.1.1 信号采集全过程上电后，片选cs必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时eoc为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。开始时，片选cs为高，io_ clock、data_input被禁止，data_out呈高阻状态，eoc为高。使cs变低，io_clock、data_input使能，da

21、ta_out脱离高阻状态。12个时钟信号从io _clock端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从data_input一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入tlc2543(高位先送入)同时上一周期转换的a/d数据，即输出数据寄存器中的数据从data_out一位一位地移出。tlc2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时tlc2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，eoc变低，开始对本次采样的模拟量进行a/d转换，转换时间约需10微秒，转换完成后eoc变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。

22、3.1.2 程序流程图开始控制字传入tl2543接收通道信号模拟量采集单片机接收数据转换数据保存到数据存储器图3.1信号采集控制程序流程图3.1.3 程序代码为sbit cs=p12; / 2543 /cs sbit io_clock=p13; / 2543 io clock sbit data_in=pl1; / 2543 data in sbit data_out=p10; / 2543 data out unsigned int ad_data; sbit bit0 = ad_data8;sbit bit7 = b7; uint read 2543(unsigned char port)

23、 / a/d转换子程序 unsigned char data i; ad_data=0; port = port4; / 端口高4位与低4位交换 b = port ;io_clock = 0; cs=1;data_in = 0; data_out = 0; cs = 0; delay( ); for(i=1; i=12; i+) / 12位data input data_in=bit7;io_clock = 1; b = b 1; io_cl0ck=0; cs = 1; delay( ); cs = 0;delay( ); for(i=1；i=12；i+) / 12位data output b

24、it0 = data_out; io_clock=1; io_cl0ck=0;ad_data = ad_data1; return(ad_data);3.2 信号处理由于pt100的温度和所对应的电阻值的关系，并不是完全线性的，这里我们对其进行简单的线性化处理，具体是在200300、300400、400500这三个温度范围内，将温度和电阻值的关系看做是一个正比例关系，这在编程上也容易实现。经检验，此方法的误差很小，可以满足设计要求。程序代码为：uint data_deal(uint ad)float r,ad,t;uint t;ad=(float)ad;r=175.86+0.0257*ad;i

25、f(r=175.86&r=212.05&r=247.09&r280.98) t=2.946*r-326.2;else t=500;return (t);3.3 数码管显示程序uchar table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /共阳led段码表uchar table_=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /带小数点共阳led段码表uchar table1=0x01,0x02,0x04,0x08; /位码void display(uint temp)/温度显

26、示 qian=temp/1000; /取小数位数字 bai=temp%1000/100; shi=temp%100/10;/取个位数字 ge=temp%10;/动态扫描显示各位数字，p3.1-p3.4口输出位码 p3=0x00; p2=tableqian; p3=table13; delay(2); p3=0x00; p2=tablebai; p3=table12; delay(2); p3=0x00; p2=table_shi; p3=table11; delay(2); p3=0x00; p2=tablege; p3=table10; delay(2); 3.4 系统主程序3.4.1 主程

27、序流程图开始信号采集信号处理数值显示结束图3.2主程序流程图3.4.2 程序代码void main() while(1) display(data_deal(read2543(port); 4 仿真调试 proteus是英国labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。该软件的特点如下： 具有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统（不高于arm7）设计与仿真功能； 具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能； 具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表； 支持keil c51 uvision2、mplab等第三方的软件编译和调试环境； 具有强大的原理图到pcb板设计功能，可以输出多种格

28、式的电路设计报表；拥有proteus电子设计工具，就相当于拥有了一个电子设计和分析平台； 集原理图设计、仿真和pcb设计于一体，真正实现从概念到产品的完整电子设计工具。 该系统设计过程中，利用keil c51 uvision2 将编写的c程序输出为.hex文件，然后再反正过程中，将该文件导入到51单片机中。按照设计方案接连好线之后，在需要测量的地方放置模拟的电压表、电流表以及电压探针，便于分析设计电路中存在的不足，并立即进行相应的改善。4.1 仿真结果在仿真界面中，先设定pt100的温度，然后将其与数码管的显示的数值进行比较，记录测量的六组数据如下表所示：表4-1 仿真结果记录设定温度2002

29、50300350400500显示温度201.2249.2300.9352.5404.3496.1误差值1.004.33.9误差率%0.530.320.30.7141.070.784.2 综合分析4.2.1 温度输入与调理电路的输出关系设在温度t下，pt100的电阻值为rt，由于pt100是串联的一个恒流源，且该恒流源的电流大小为：i=4.096v /2k，则pt100两端输出的电压为vin=rt * 4.096v /2k。接着该电压经过首级放大，放大倍数为10倍，故经过首级放大电路之后，输出电压u1n = rt * 40.96v /2k，再然后该电压信号经过偏置放大电路（偏

30、置放大电路的原理和设计方法前面有详细介绍），最终调理电路的输出表达式为：vo=2.4(rt * 4.096v /2k)-3.64v4.2.2 误差分析根据上述仿真结果可以看出，虽然本设计的误差率不是很明显，但根本上来讲，测量精度上存在很大缺陷。现对误差产生的情况分析如下：首先是仪器设备的原因，毕竟理想的元器件是不存在的，从仿真调试的情况来看，运放的理论放大倍数和实际放大倍数就存在一定的区别，为偏置放大电路的设计中，根据滑动变阻器的分压也无法得到理论上精确的-3.64v，而且导致的偏差还会被放大。两外，设计的恒流源也无法做到真正的恒流，当pt100的温度设定的较高时，可以观察到流过pt100的电

31、流会发生微小的下降。虽然这些影响都不是很大，但对于12位、基于5v电压的a/d转换器来讲，微小的误差已经足够影响到其转换的数字信号的输出。另外，在程序里面关于数据的处理问题，采用的是分段线性的办法，虽说pt100的线性度较好，但严格意义上讲并非完全线性，对于区间的分段也仅仅是分了三段，这样做也带来了一定的误差。4.3 改进设想根据上述对误差产生的原因的分析，理论上可以对设计采取如下的改进措施： 增大tlc2543的基准电压，使其满量程为10v，这样可以减少输入的波动对输出结果的影响； 在偏置放大电路中，要精确获取-3.64v的电压我们可以采用多个滑动变阻器串联共同调整，或是采用分辨率更高的变阻

32、器的方式； 在程序的数据处理的设计部分，可以采用将pt100的分度表都存储起来，以5为一步，然后每个5的温度区间进行线性化处理；也可以仍然按照本设计的思路，但要增加分段数目，例如把分3段线性化改为分10段线性化。4.4 仿真情况的部分截图图4.1图4.2 图4.3参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社.20052 于海生.计算机控制技术.机械工业出版社.20073 谭浩强.c语言程序设计.清华大学出版社.20084 s/ol. tlc2543德州仪器http: / universalsearc h.tsp ? searchterm=tlc2543#linkid=1&src=t

33、op.5 s/ol. op07c描述与参数 sitesearch/cn/docs/ univer salsear ch.tsp?searchterm=op07c#linkid=1&src=top.附录 系统整体电路图附录 系统完整程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /共阳led段码表uchar table_=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /带小数点共阳led段码表uchar table1=0x01,0x02,0x04,0x08; /位码sbit cs=p12; / 2543 /cs sbit io_clock=p13; / 2543 io clock sbit data_in=pl1; / 2543 data in sbit data_out=p10; / 2543 data out unsigned int ad_data; sbit bit0 = ad_data8;sbit bit7 = b7; uint ad_get=0;uchar qian,bai,shi,ge;void delay(uin