基于热电阻温度测量仪器设计

1、课程设计(论文)说明书 设计课题： 基于热电阻的温度测量仪器的设计 院 （系）： 电子工程与自动化 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 李金鹏 学 号： 0900820214 指导教师： 王 月 娥 2012年12月28日摘 要设计热电阻的温度测量仪器电路，可以利用温度传感器PT100铂热电阻来实现。根据其阻值会随着温度的变化而改变，铂热电阻的电阻变化必然引起两脚的输出电压微小变化，并将其放大处理，送入模数转换电路单片机处理予以显示，这样就能利用电压间接反映温度的变化，从而实现温度的测量。关键词：铂热电阻PT100；模数转换；单片机；温度测量；电压变化； AbstractThe design

2、 of heat resistance temperature measuring instrument circuit, can use PT100 temperature sensor platinum resistance temperature to realize. According to its value will change with the change in temperature, platinum resistance temperature resistance change will cause two feet as the output voltage of

3、 a small change, and the amplification processing, into the A/Dc processing to display, so that I can use voltage indirectly reflect the change of the temperature, so as to realize the measurement of temperature. Keywords: platinum resistance temperature PT100; Modulus conversion; A/DC; Temperature

4、measurement; Voltage change目录引言41 设计任务41.1 任务说明41.2 任务分析42 系统框图与器件选择52.1 系统模块52.2 器件选择与分析53 仿真设计93.1 测量电路103.2 仪用放大器113.3 A/DC转换电路123.4 MCU（单片机）143.5 液晶显示154 系统标定（重点）174.1 标定分析174.2 标准标定174.3 实际标定185 数据处理196程序编写（见附件1）207实际运行（室温）208 组装调试218.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法218.2 实物图229 课设总结22谢 辞23附件一24附件二27附件三28附件四

5、29参考文献30引言温度是自然界中和人类接触最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温度传感器就会相应产生。1 设计任务1.1 任务说明本次课题主要是基于热电阻的温度测量仪器的设计，通过完成此次的设计课题理解PT100传感器温度转换原理，利用仪用放大器放大微小的具体过程，运用A/DC实现模数转换，熟悉89S52及接口电路的原理及使用方法，要求脱机运行实现温度显示，并符合一定的误差范围。1.2 任务分析

6、基于热电阻的温度测量仪器的设计，设计任务与要求：1）理解电阻测温的原理；2）理解数模转换器的原理以及与MCU的接口方法；3）理解显示器与MCU的接口方法；4）编程实现温度的测量及显示;5）温度的确定方法建议不采用查表法，采用传感器的关系表达式；6）测量温度范围：0200。2 系统框图与器件选择2.1 系统模块测量电路仪用放大器A/DC转换MCU液晶显示图2.1 系统框图各模块简明：采用电桥法补偿采集电路，利用铂电阻电阻变化引起微小分压变化原理。由于采集电路模拟电压变化微小，必须将其放大才能进入A/DC处理。考虑到集成仪用放大器成本比较大，故采用电压跟随+差分放大实现仪用放大器功能。为了实现得到

7、单片机能处理的数字电压，必须将放大器输出模拟电压送入A/DC进行模数转换。用于实现数据的处理，将数字电压转换成热电阻的阻值，进而得到温度值，具体过程将在下边讲解。将单片机处理完的数据送入1602，实现热电阻阻值以及温度的显示。2.2 器件选择与分析测量电路：根据课程所给热敏电阻为铂电阻PT100，最大电流5mA，课程要求测量温度范围：0200，阻值变化是100175.86，其本身的电压也会变化。仪用放大器：选择运放尤为关键，尤其要注意精度的选择。其原因是由于铂电阻电阻变化引起电压变化，但是此电压是非常微小的，必须保证合适的运放精度这样才能识别此微小电压。此系统我选择CA3140运算放大器，其分

8、辨率为2uV。下面计算当热敏电阻变化一度时电压具体变化多少。图2.2 运放精度选择（RT为铂电阻）1）理论计算：当R1=R2=1K，R2=RT=100时，U2-U1=0； 当R1=R2=1K，R2=100，RT=101时，U2-U1=0.0917-0.0909=0.0008V 根据理论结果判断此值CA3140运放满足。2）仿真测试：当R1=R2=1K，R2=100，RT=101时，图2.3 输出电压仿真结果 U2-U1=0.458674-0.454545=0.004129 根据仿真结果判断此值CA3140运放也能满足。图2.4 CA3140引脚分布图3）各引脚名称及作用如下：INV.INPUT

9、：反相输入端NON-INV INPUT：同向输入端V-：电源-12VOUTPUT：输出V+：电源+12VA/DC转换：由于只需转换一组电压信号，故选择A/DC0804满足要求。A/DC0804为一类单片集成A/D转换器，它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100uS，输出电压范围为05V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接数据总线上。 图2.5 A/DC0804引脚分布图各引脚名称及作用如下：两模拟信号输入端，用以接受单极性、双极性和差模出入信号。DB7DB0：具有三态特性数字信号输出口。AGND：模拟信号地。DGNG：数字信号地。CLK：时钟信号输出端。CLKR

10、：内部时钟发生器的外接点阻端，与CLK端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为：片选信号输入端，低电平有效，一旦有效，表明A/D转换被选中，可启动工作。：写信号输入，低电平输出端有效。：A/D转换结束信号，低电平表示本次转换已完成。：参考电平输入，决定量化单位。：芯片电源5V输入。MCU：STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。工作电压：5.5V3.3V。用户应用程序空间为 8K 字节。片上集成 512 字节 RAM。通用 I/O 口 （32 个） 复位后

11、为：P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。图2.5 A/DC0804引脚分布图液晶显示：1602显示容量：16*2个字符（第一行显示铂电阻阻值，第二行显示温度测量值），芯片工作电压：4.55.5V，工作电流：2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压：5.0V。各引脚名称及作用如下：VSS：电源地。VDD：电源正极。VL：液晶显示编码信号。RS：数据/命令选择端。RW：读/写选择端。E：使能信号。D7D0：Data I/O。BLA：背光源正极。BLK：背光源负极。3 仿真设计图3.1 系统仿真图3.1

12、 测量电路图3.2 测量电路仿真图1）分析：采用电桥补偿法实现温度的测量，其方法电路简单，节约成本。当温度变化引起其电阻变化，电阻变化必然电压产生变化，而温度就是间接通过电压来模拟。由于铂电阻RT最大工作电流为5mA，VCC=5V，可以计算出VCC与GND之间的电阻至少为1K才能使工作电流小于5mA，所以R1与R2阻值为1K，RV1为一个150的精密电位器，目的是为了调节后级运放的失调电压，作为补偿作用，起到调零作用。2）计算：U2-U1= （RV1数值待定，其电阻大部分是补偿运放失调电压，所以要经过运放才能真正确定此电阻的数值）3.2 仪用放大器图3.3 放大器仿真图1）分析：U1、U2为电

13、压跟随器，信号输入输出之间的关系：=。电压跟随器又叫单位增益放大器、缓冲器、射随等。之所以叫电压跟随器是因为这个电路的输出端电压与输入电压始终是一样的，它在电路中起到了缓冲、隔离、提高带负载能力的作用，该电路在所有的放大器组态电路中具有最高的输入阻抗。运放有一个特点就是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使后一级的放大电路更好的工作，也因为这个原因使它对前后级电路起到了“隔离”作用。差分放大信号输入输出之间关系：=，当R3=R4，且RV2=R5时，有，R1/RV2=R4/R5。差分放大电路时求和电路的发展，它可以减小去除两个信号中的共模成分。在R3=R4，RV

14、2=R5时，差分输入、单端输出特殊情况下，两端输入的增益都是RV2/R3。2）计算：=，调节RV1使差放输出为0，得到RV1阻值，代入测量电路输出电压U2-U1= ，然后将测量电路输出电压乘以放大倍数这样才能送去A/DC。3.3 A/DC转换电路图3.4 A/DC转换仿真图1）分析：A/DC0804的片选端连接P3.0，我们可以通过IO口来控制来开始转换。CLKR，CLR，GND之间用电阻和电容组成RC振荡电路，用来给A/DC0804提供工作所需的脉冲，其脉冲的频率为1/(1.1RC)，按芯片手册上说明，R取10K，C取150pF，得到最佳的转换速度。/2端用两个1K的电阻分压得到VCC/2电

15、压，即2.5V，将该电压作为A/D芯片工作时内部的参考电压。、分别接P3.6、P3.7，数字输出端接单片机的P1口。为了达到精度高，稳定好的目的，将AGND和DGND同时连接到GND。2）计算：因为A/D转换输出为2位16进制，电压显示方式是十进制数，所以对应数据转换。其关系如下：从而得到各位的模拟量：ge=x/51;/模拟电压第一位xiao1=x%51*10/51;/模拟电压小数第一位xiao2=x%51*10%51*10/51;/模拟电压小数第二位xiao3=x%51*10%51*10%51*10%51;/模拟电压小数第三位3）A/DC0804启动转换时序图：图3.5 A/DC0804启动

16、转换时序图分析图3.5可知，CS先为低电平，随后置低，经过至少（）L时间后，拉高，随后A/D转换器被启动，并且在经过（18个A/D时钟周期+内部）时间后，模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时INTR自动变成低电平，通知单片机本次转换已完成。4）A/DC0804读取数据时序图图3.6 A/DC0804读取数据时序图分析图3.6可知，当INTR变成低电平后，将CS先置低，接着再将置低，在置低至少经过时间后，数字输出口上的数据达到稳定状态，此时直接读取数字输出口数据便可得到转换后的数字信号，读走数据后，马上将拉高，然后再将CS拉高，INTR是自动变化的，当置低时间后，INTR自动拉高，我们不必

17、人为去干涉。3.4 MCU（单片机）图3.7 MCU仿真图分析：单片机的18、19脚为连接晶振，晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他频率的波)，这个波对电路的影响不大,但会降低电路的时钟振荡器的稳定性。为了电路的稳定性起见，ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响,所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的。考虑到此温度测量仪要时刻采集，所以省去了复位电路的设计，节约了成本。3.5 液晶显示图3.8 1

18、602液晶仿真图1）分析：VSS连接GND；VDD连接VCC；VEE连接精密电位器10K用来调节液晶的背光亮度；RS连接单片机P3.5用来数据命令选择；RW手册中写数据写指令始终为低电平，所以RW为接地处理；E连接单片机P3.4用来选通使能信号；D0D7连接P2口。2）基本操作时序如下：3）RAM地址映射图：图3.9 1602地址映射图4）初始化设置：5）液晶写操作时序图：图3.10 1602写操作时序图分析时序图可知：（1）通过RS确定是写数据还是写命令。写命令包括使液晶的光标显示/不显示、光标闪烁/不闪烁、需/不需要移屏、在液晶的什么位置显示等等。写数据是指要显示什么内容。（2）读写控制端

19、设置为写模式，即低电平。（3）将数据或命令送达数据线上。（4）给E一个高脉冲将数据送入液晶控制器，完成写操作。4 系统标定（重点）4.1 标定分析在0660温度范围内：，式中、分别为0和t的电阻值；A：常数（3.96847）； B：常数（-5.847） 需要注意的是：、A 、B都为理论参数，由于每个PT100都是有差别的，在实际使用过程中都是需要标定的。4.2 标准标定铂电阻PT100数据手册分析，100-0，175.86-200，所以要想很精确的标定首先要0和200两个温度环境来标定，具体如下：调零：将PT100放置0环境中，用万用表测量其阻值并记录，此值就是R0。然后将其放入电路中（图3.

20、1），调节RV1，差放输出为0，记录此值RV1的阻值。调节放大倍数：由于A/D最高采集为5V，所以先将PT100放置于200环境中，调节RV2使差放电压输出电压为5V，调节输出5V的目的是方面后边的数据处理，这样5V正好对应十六进制的255。 标定A，B：将PT100脱离系统，随便找两个温度，记录阻值与温度值，根据公式列出二元一次方程组，从而解得A，B值。4.3 实际标定由于实验环境所限，不能得到标准上述温度环境，故直接利用公式来解得，A，B的值，具体方法步骤如下：1）PT100脱机工作于三个不同温度环境，测量对应的阻值与温度如下：阻值（）温度（）105.51.1 10.4111.75.1 2

21、5.8115.36 34.6由于数据比较复杂这里采用MATLAB求解三元一次方程组：2）调零：利用仿真把RT换成101，调节RV1让其电压输出电压为0，并根据分压计算出RV1的阻值为110。图. 标定R0与差放调零3）调节放大倍数：让PT100于室温环境所测阻值为107，故仿真RT代入107，调节RV2，观察液晶阻值显示也应该是107欧姆（阻值只是通过电压来间接模拟的，并没有用到，值）图4.2 调节放大倍数4）算出放大倍数：由于放大倍数只有电阻RV2来决定，调节完毕后系统将始终保持该阻值，故利用电压算出放大倍数即可，这样做的好处是，使计算变得简单，减小了系统的运算负担。=U0/(U2-U1)=

22、0.432/(0.483-0.456)=16.30倍，系统标定完成。5 数据处理1）RT与shuchu的关系：（RT：铂电阻阻值，shuchu为模拟电压100倍的放大）bai=x/51;/模拟电压第一位shi=x%51*10/51;/模拟电压小数第一位ge=x%51*10%51*10/51;/模拟电压小数第二位shuchu=bai*100+shi*10+ge；/只有放大后才能把小数保留于是有：得到：2）t与RT的关系：（t：温度，RT：热电阻阻值）根据公式代入R0=110利用MATLAB求解得：根据计算分析t2<0舍，t1>0，故得到两者的关系。3）shuchu与t的关系：（shu

23、chu为模拟电压100倍的放大，RT：热电阻阻值）联立1,2所得方程，便能解得两者关系，但C51强大的运算能力，不必求得两者的关系，直接代入RT、shuchu也能实现温度的采集，节省了自行运算，方面纠错。6程序编写（见附件1）7实际运行（室温）图7.1 实测温度采集图图7.1 实际测温采集图下面为系统采集室温10组数据：（）14.7815.1215.1414.5615.1014.7815.2314.9815.0014.80工业温度计表标准温度：15.8误差计算如下：|（14.78+15.12+15.14+14.56+15.10+14.78+15.23+14.98+15.00+14.80）/10

24、-15.8|/15.8=5.4%可以看出本系统接近实际温度。下面分析一下误差体现在何处：1）标准5V电压不稳（约4.9V），导致电阻分压出现偏差；2） 实际的电阻精度不够导致分压出现偏差（如100约99）；3） 实际标定方法出现误差，可以看出、A、B与理论值数值有差距。8 组装调试8.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法此次系统设计我采用双面板布铜集成设计，大大的增加了焊接难度。在保证没有短路的情况下上电调试，第一级先测试液晶显示电路，屏蔽A/D采集，利用固定值下载调试，发现液晶没有点亮，检查电路发现VSS交叉点没有接地导致，这是原理图的问题，接地处理后液晶显示正常固定数值。第二级测试A/D是

25、否能采集，利用固定电压5V接入A/D第6管脚，看数值是否变化，发现数值不变，说明A/D没有采集，按照原理图检查没有发现错误，初步设想是A/D转换的CLKR，CLR，GND引脚之间没有振荡，故更换了电容150pF，但是还是不能采集，故用仿真图检查发现之前的原理图7管脚没有接地，属于原理图错误，更改之后正常采集电压，并且电压变化正确。第三极测试测量模块，根据原理分析，利用电压法来检查各级输出电压是否正常，电压跟随器输入输出应该相等，但本系统电压跟随器输出却是相反的电压，经过反复的检查和分析，电桥补偿电路输出电压正常，问题出现在运放2、3、6引脚，测试发现6引脚焊接短地，问题解决后电压各级正常，并且

26、可以放大。8.2 实物图 图4.1 实物电路板（正） 图4.2 实物电路板（反）9 课设总结本次实验设计，不仅仅是单纯的课程设计，更让我对深刻的认识到了课本知识的重要性，也让我更加了解了课本的知识，特别是A/DC系列芯片以及各种工具软件的使用。如果纯粹地追求科本，死记硬背，不灵活将知识搬到实际生活中，那么这样的学习是毫无价值和意义的。理论上的东西似乎都能很好的理解，一旦真正的应用于实践中，就会产生很多意想不到的问题。本次实验利用单片机模拟仿真软件Proteus 进行温度测量仪的设计与仿真。实现利用铂电阻PT100传感器搭建测量电路进行了温度的测量，这使我从实践中进一步加深了对传感器的理解，实现

27、温度的测量并予以显示。通过本次实验，不仅仅让我有效地将课本所学的知识应用于实践，达到了学以致用的目的，而且在设计的过程中，使自己在学习新知识发现问题解决问题等方面得到了很好的锻炼，为以后的学习和工作打下了良好的基础。总而言之，虽然本次实验设计耗费了我大量的时间，但是确实给我带来了不少收获，觉得这样的课程设计是挺有意义的。谢 辞 本次课程设计在王月娥老师的悉心指导和严格要求下顺利完成，在应用原理上老师帮助我解决了难点，在焊接电路板之前她为我提供了许多专业知识上的指导，她推荐我要先对PCB板校验，以免造成失败。从原理图的设计到论文的完成过程，都离不开王月娥老师的正确指导，在我原理图的设计期间，王老

28、师和一些大胆的建议，如果离开王月娥老师的帮助和关怀，我不会这么顺利而全面的完成课程设计。在此，我向王老师表示深深的谢意和崇高的敬意。在课设完成之际，我还要感谢学校为我们提供了各种器材，感谢学校为我们提供了宝贵的资源，感谢在默默为我们付出辛勤汗水的老师。在课程设计这期间里，因为有你们，大家一起交流、一起讨论、一起进步，对于同学们的支持和帮助，在此我表示深深的感谢！附件一#include<reg52.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsig

29、ned intuchar code table="dianzu:"uchar code table1="0123456789."uchar code table2="wendu:"sbit lcden=P34;sbit lcdrs=P35;sbit csA/D=P30;sbit wr=P36;sbit rd=P37;uchar num;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void write_com(uchar com)/1602写指令lc

30、drs=0;P2=com; delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)/1602写数据lcdrs=1;P2=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()/1602初始化lcden=0;write_com(0x38);/设置显示模式write_com(0x0c);/开显示write_com(0x06);/地址自动加一write_com(0x01);/显示清屏uchar AD()/A/D采集，返回值valueuchar value;wr=1;wr=0;wr=1;_

31、nop_();rd=0; _nop_();value=P1;rd=1;_nop_();return value;void xianshi(uint aa,uint bb)/1602写地址，写数据write_com(0x80+aa);write_data(bb); void main()double shuchu,rt,a=0.3924e-002,b=0.2052e-005,c,d,e,tp,t;uint bai,shi,ge,g,value,t0,t1,t2,t3,t4,t5,r0,r1,r2,r3,r4,r5;init();csA/D=0;write_com(0x80);for(num=0;

32、num<7;num+)/显示dianzu：write_data(tablenum);delay(20);write_com(0x80+0x41);for(num=0;num<6;num+)/显示wendu：write_data(table2num);delay(20);while(1)value=AD();bai=value/51; shi=value%51*10/51;ge=value%51*10%51*10/51;g=value%51*10%51*10%51*10%51;shuchu=bai*100+shi*10+ge;/16进制转化成10进制*100倍e=0.4583333;c=(e+shuchu