基于PT100的数字温度计设计

1、关阳i轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书数字温度计设计姓 名：专业班级：学 号：指导老师：时 间：郑州轻工业学院课程设计任务书题目数字温度计设计专业、班级电子信息工程09 1学号姓名主要内容、基本要求、主要参考资料等：、主要内容：(1) 整体电路设计(画出电路组成框图)；(2) 信号检测电路设计；(3) 信号号放大电路设计，电路参数选取、数据计算；(4) a / d转换电路设计(5) 显示电路设计。基本本要求:(1) 采用热电阻传感器组成测量电路;(2) 电路组成：测量电桥、运算放大电路、a / d转换、显示电路;(3) 测量范围为-199.9 +199. 9°c,不进行非线性

2、校正；(4)假设在实验装置上进行模拟实验，测量出需经实验确定的参数或系数;(5)写出5000字左右的工作原理说明，附系统图一张。采用热电阻传感器。主要参考资料:完成期限： 2012年6月们 日一 2012年6月15日指导教师签章：专业负责人签章：2012年6月 8 日数字温度计设计电子信息工程09级1班指导老师：摘要：本文在查阅、分析了现有的儿种不同的测温原理，分析确定了热敏电阻 测温，并对基于热敏电阻的数字温度计的设计进行了深入探讨和研究。该系统分为 测温模块、信号放大模块、a/d转换模块和控制显示模块，并分别对其进行方案分 析，最终确定数字温度计系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细

3、阐述了 各模块电路的工作原理，分析了以at89c51单片机为主控单元的系统硬件和软件设 计，并对该系统进行误差分析，使我们对于系统的各种性能有了进一步认识。本设计采用at89c51单片机,tlc2543 a/d转换器,0p07放大器，钳电阻pt100、 lcd1602及电源模块组成系统，并设计了相应的软件流程图，使其实现温度的实时 显示。该系统的优点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对 象广。关键词：pt100 ；测温；单片机；数字温度计目录1概述12系统硬件电路设计22.1电源模块22.2信号釆集模块22.3信号调理放大模块42.4 a/d转换模块52.5单片机控制模块72

4、.6 液晶显不模块83系统软件设计103.1软件总体流程设计103.2系统软件实现原理103.3系统程序构建104总结与展望12参考文献13附录：总原理图141概述改革开放以来，人们的生活水平逐渐提高，国民经济也取得了长足的发展。在 人们日常的生产和生活中，温度已经成为了一种不可或缺的因素，人们总是会在出 门前根据温度信息来增添衣物。在一些科研院所和生产车间，对温度信息要求很严 格的地方，需要精确的、实吋的、范围广的温度信息并能及吋的显示。本设计采用单片机对温度信息进行采集、处理并以数字形式显示，以其测量精 度高，测温范围广，操作简单、运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医 疗，工业生产

5、等方面的温度测量。本系统采用8051系列的at89c51单片机系统为核心开发数字温度计系统。系统 硬件原理图如图1-1：图1-1系统框图根据系统的设计要求，选择pt100作为本系统的温度传感器，选择单片机 at89c51为测温系统的核心来完成数据采集、处理、显示等功能。由框图我们可以 看出，硕件系统由pt100组成的电桥测温模块、双电源供电的信号调理放大模块、 a/d转换模块、at89c51控制模块、液晶显示模块和供电模块组成。该系统的总体设计思路如下：电阻传感器pt100组成的电桥电路把所测得的温 度信息经过放大、模/数转换发送到at89c51单片机上，经过51单片机处理，将把 温度信息在显

6、示电路上显示，本系统显示器为点阵字符lcd 1602液品模块。检测范 围一200. 0摄氏度到+200. 0摄氏度。2数字温度计系统硬件电路设计系统的硬件组成电路主要有以下几个部分：（1）电源模块；（2）信号采集模块;（3）信号调理放人模块；（4） a/d转换模块；（5）单片机控制模块；（6）液晶显示 模块；下面是对各个模块电路的详细讲述。2.1电源模块考虑到本设计的方便性、实用性，系统的引入电源为220v交流电，通过12v的变 压器降压，再通过整流桥整流，z后分为两路，一路通过lm7809芯片输出稳定的9v 直流电源，再通过lm7805芯片输出稳定的5v直流电源，另外一路通过lm7909芯片

7、输 出稳定的-9v电源。其原理图如图2-1所示：图2-1电源模块原理图输出的正负9v电源为放大电路供电，+5v电源为信号采集电路、a/d转换电路、 单片机和液晶显示供电。电路中电容主要起绿波稳压的作用。2. 2信号采集模块介绍信号采集电路之前，我先介绍一下我选用的传感器，我用的是钳电阻pt100 作为传感器。热电阻pt100是最常用的温度传感器之一，与其他热敏电阻相比，它的 主要优点是测量精度高（可精确到0. 1摄氏度），线性度好，测量范围广（-200°c 650°c）,性能稳定，使用方便，完全满足设计要求，所以我最终选择釦电阻pt100pt100温度电阻曲线503-300

8、25020015000作为传感器。pt1oo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：400在0650°c范围内：rt 二ro*(1 +at+bt2)在-200o°c范围内：rt 二ro*(l+at+bt2+c(t-100)t3)式中a、b、c为常数，0050-10a=3. 96847x 10-3；b二-5. 847x 10-7；c=-4. 22x10-12；图2-2电阻温度曲线图80000600500400t度 00温320000由于它的电阻一温度关系的线性度非常好，电阻温度曲线如图2-2所示，因此 在测量较小范圉内其电阻和温度变化的关系式如下

9、：r=ro(l+at)其中a二0. 00392, ro为100 q (在0°c的电阻值)，t为华氏温度。pt 100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ptloo测量温 度一般有两种方案：方案一：设计一个恒流源通过ptloo热电阻，通 过检测ptloo上屯压的变化来换算岀温度。图2-3信号采集电路方案二：釆用惠斯通电桥，电桥的四个电阻中三 个是恒定的，另一个用ptloo热电阻，当ptloo电阻值 变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出 温度。两种

10、方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。考虑到系统的精确度等，信号采集电路我采用了后者。其原理 图如图2-3所示。信号采集电路选用5v直流电源供电，经查表计算得，pt100在零下200摄氏度吋 对应的阻值为18. 49q,所以r3选用一个15q的电阻，并串联一个50q的电阻，实现 调0的作用。pt100在200摄氏度吋对应的阻值是175. 84q,所以电阻rl、r2选取相同 的10kq的电阻，使得电桥输岀的电势差范围为：077mv。2. 3信号调理放大模块放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在相对 精确的放大器电路屮，一般要求放大器有低噪声、低输入偏置电

11、流、高共模抑制比、 高输入阻抗、低输出阻抗等特性的大多采用的是三运放结构，如图2-3所示，三运放 屮由al、a2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，如图2-4 所示：offset null 2vcc*outputn.c.图2-4三运放结构的高性能放大器原理图随着近年来微电子技术的发展，市面上 出现了不少专用的高性能的芯片，ad620、ad623就是具有上述描述的三运放结构。虽然 使用ad620可以很方便的解决本设计的放大 问题，但由于其线性范围比较窄，只有在 0.旷3.6v范围内线性度良好，所以木设计采用三片0p07芯片来实现放大。0p07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的 图2

12、-5 0p07管脚分布图 双极性运算放大器集成电路。其引脚分布如图2-5所示。由于0p07具有非常低的输 入失调电压(对于0p07a最大为25 nv ,所以0p07在很多应用场合不需要额外的 调零措施。0p07同时具有输入偏置电流低(0p07a为±2na)和开环增益高(对于 0p07a为300v/mv)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得0p07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。0p07具有以下特点：超低偏移：150 y v最大。低输入偏置电流：1. 8na o低失调电压漂移：0. 5 y v/°c。超稳定，时间：2 y v/month最大高电源

13、电压范围：±3v至±22v本设计的信号调理放大电路原理图如图2-6所示：图2-6放大模块原理图0p07采用止负9v双电源供电，根据放大模块原理图以及运放的特性可得：v03 = (r8/r7) * (1+2*r5/r4) * (int0-int1)若要使电桥输出的电势差077mv放大到05v,则耍求放大倍数为65倍左右， 即(r8/r7) * (1+2*r5/r4)二65,合理取值得：r5=r6=24k； r7=r9=2k； r8=r10=10k；r4选用10k的电位器，当其阻值调制4k时，可实现电路放大65倍，即信号调理放 大电路输出的是0"5v的模拟电压信号。2

14、. 4 a/d转换模块信号调理放大电路输岀的电压信号是连续变化的模拟量，通常用单片机对这些 信号进行处理，则需要将其转换成数字量，a/d转换器就是为了将连续变化的模拟 量转换成计算机能接受的数字量。根据a/d转换器的工作原理，常用的a/d转换器 可分为两种，双积分式a/d转换器和逐次逼近式a/d转换器。在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用徳州仪器公司生产的 12位开关电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单片机机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选 择器件之一。tlc2543的主要特性如下： a0vcca1eoca

15、2cloka3d1a4do a5/csa6r+ a7r- a8a10 gnda9 20 卫18171615亘 亘 n7ttlc2543图2-7 tlc2543的引脚分布图(1) 11个模拟输入通道；(2) 66ksps的采样速率；最大转换时间为10us；(4) spi串行接口；(5) 线性度误差最大为±1lsb；(6) 低供电电流(1ma典型值);掉电模式电流为4ua。tlc2543的引脚排列如图2-7所示。ainoa1n10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4. 1mhz的i/o clock,驱动源阻抗必须小于或等于50 q ocs：片选端，cs由高到低变化将复位内部计数器，并控制

16、和使能data out、datainput和i/o clockocs由低到高的变化将在一个设置时间内禁止data input和i/oclockodata input：串行数据输入端，串行数据以msb为前导并在i/o clock的前4 个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后 i/o clock将余下的儿位依次输入。data out： 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/o clock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

17、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。1/0 clock：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。根据tlc2543时序图可以看出，在tlc2543的cs变低时开始转换和传 送过程，1/0 clock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data out端，在1/0 clock下降沿时数据 变化。当cs为高时，1/0 clock和data input被禁止,

18、data out为高阻态。tlc2543与单片机的连接如图2-8所示。+5vgndgnd图2-8 a/d转换模块tlc2543采用5v供电，因为信号采集放大电路输岀的电压范围为05v,所以 tlc2543的基准电压接的分别是+5v和地。tlc2543输出的数据可以是8位、12 位和16位，位数的控制通过单片机发送命令控制，标号为本电路要求温度的测量范 围为199.9+199.9,所以选用12位的输出就能满足要求。2. 5单片机控制模块本设计是采用at89c51单片机作为主控电路，因为它在高温环境中稳定性好， 支持在线编程isp,无需专用的编程器，调试方便。单片机控制模块的原理图如图 2-9所示

19、。从电路原理图中我们可以看岀，单片机采用5v供电，led和电阻r13为电源 指示电路，c14、c15和品振组成单片机的品振电路，c11和r11组成单片机的复位 电路，p1.0p1.3接tlc2543控制接口，p0 口为显示器lcd 1602的8位数据接口, p2.5p2.7为lcd的控制端口。ea/vpp接+5v,单片机首先访问内部程序存储器， 当地址大于0fffh时，会口动转到外部程序存储器。p1.0gndpl 1pf3gnd-ignd-i10uf1ok ip1opup12p13p14p15p16p17rstvcc poopo1po2p03p04p05p06 _ p07 ea vpalep

20、psenp27p26p25p24p23p22p3o(rx) p31(tx) p32(pcto) p33(intl)p34(to) p35cl11p36(wr) p37(rd) x2xigndp21p2o"rtir a i * 三二 p|xp|£图2-9单片机控制模块原理图2. 6液晶显示模块本次课程设计的显示模块，我选用的是lcd 1602液晶显示。1602液晶也叫1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它有若 干个5x7点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。它具有功耗低、 体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等 特点，常用于袖珍式

21、仪表和低功耗应 用系统中。其引脚分布如图2-10所 示： 1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：vss为电源地图2-10 lcd 1602引脚分布图第2脚:vdd接5v电源正极第3脚：v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度)。第4脚：rs为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令 寄存器。第5脚：rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：e(或en)端为使能(enable)端。第714脚：d0d7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背

22、光灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。显示模块的原理图如图2-11所示:gndgnd11* gnd图2-11显示模块原理图3数字温度计系统软件设计3.1软件总体流程设计软件设计采用c语言或汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能 模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软 件的调试修改。3. 2系统软件实现原理按照本系统的测温需要，需要将受温度影响的热敏电阻pt100的改变产生的小 电压信号，经过放大、a/d转换，再经过单片机处理得到相应的温度信息并显示。本电路中，信号采集部分采用的是电桥电路，根据电桥电路原理以及rl、r2、r3的取值,得厶v二vcc

23、*rpt/(rpt+r1)-r3/(r2+r3)。经计算得电桥部分输出的 电压范围是0、77nw；放大部分采用的是三运放结构，增益为：a二(r8/r7 ) * (1+2*r5/r4),取r8二10k, r7二2k, r5二24k, r4二4k (通过电位器调节实现)可得放 大倍数为65倍，放人后输出的电压范围为0v5v； a/d转换部分用的是12位tlc2543 芯片，基准电压接的是+5v和0v,转换后输出的数字量范围是000w；经过单片 机处理,对应-200+200摄氏度,对应关系为:t二-200. 0 + (400. 0/4096) *x,可 以精确到0.1摄氏度，再经lcd 1602输出

24、显示。3. 3系统程序构建数字温度计软件部分采用模块化设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模 块、中断检测模块、延吋处理模块、数据处理模块和显示模块，其软件系统的主程 序实现流程如图3-1所示。结束图3-1主程序实现流程4总结与展望数字温度计是为了测量大范围的温度而设计开发的。在单片机技术与热敏电阻 传感器的巧妙结合下，可以有效的测岀温度信息，并实时以数字形式显示。该温度 计可以广泛的应用在极冷或极热的环境里，操作简便，精确度高，为测量人员提供 了方便。本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作：(1) 本文在前半部分详细叙述了热敏电阻传感器的原理及为何选用pt100热 敏电阻作为本设计的传感器，使我更加了解了本设计的设计目的及要求。(2) 在了解了热皱电阻及其工作原理的基础上，研究和分析了系统设计方案， 并对系统