热电阻测温仪及配套电子式校验仪设计

1、热电阻测温仪及配套电子式校验仪设计1设计要求1.1任务设计制作一台热阻测温仪表和配套的电子式校验仪，设计的热阻测温仪表支持工业三线制接法（采用恒流法测电阻），具有420mA变送输出功能。配套的电子式校验仪可用于设计的热电阻测温仪表的校验。1.2基本要求1设计基于三线制的热阻测温仪表，输入信号为Pt100、Cu50、Cu100可选（能够通过按键选择热电阻分度号），能够以数字形式显示被测温度，测温误差不大于0.5，；2具有变送功能，对应测温量程变送输出电信号为420mA，在0100测温范围变送精度0.5%。1.3发挥部分1设计一台电子式热阻信号校验仪表，可以用来校验基本要求项设计的热电阻测温仪表，

2、模拟电阻范围0400；2设计的电子式热阻信号校验仪表具有输出模拟电阻数字显示功能，可以通过按键改变输出的模拟电阻值，分辨率优于0.1；3进一步提高输出模拟电阻的分辨率到0.05。1.4评分标准 项 目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50完成基本要求第1项30完成第基本要求2项20发挥部分完成发挥部分第1项20完成发挥部分第2项20完成发挥部分第3项102系统框图设计2.1Pt100测温仪框图以MSP430F169为基的Pt100测温仪电路框图如图2-1所示，完成基本要求部分功能。图2-1测温仪电路框

3、图2.2电子式热阻信号校验仪框图MSP430F413单片机为基的电子式热阻信号校验仪电路框图如图2-2所示，完成发挥部分功能。图2-2电子式热阻信号校验仪电路框图3Pt100测温仪电路设计3.1恒流源驱动三线制热电阻电路热电阻测温传感器Pt100的温度与阻值对应关系如图3-1和表3-1所示。使温度测量转为电阻值测量。图3-1表3-1三线制热电阻测温传感器Pt100外引线形式如图3-2所示。图3-2 Pt100外引线形式采用三线制是为了消除长线连接引入误差。采用恒流源驱动的三线制热电阻测温传感器电路，如图3-3所示。利用叠加定理，分别求出电路对Ua、Ub的放大倍数AUa和AUb如下：倍R_Lin

4、3为导线电阻与50K电阻串联，忽略不计。倍根据以上两点电压放大倍数，求出实际输出电压与RT关系如式（3-1）所示，电路中Lin1、Lin2是两根长度、线径和材料相同的导线，因此，R_lin1=R_lin2并设其等于r。 （3-1）例：当温度为0°C时，RT=100，恒流源输出1mA，Uo=2V；当温度为100°C时，RT=138.51，恒流源输出1mA，Uo=2.77V。单片机中A/D利用率低应加入电平平移和信号放大电路。由上式可得，该电路使用三线制接法可消除引线带来的误差。使用该电路应注意问题：1）电路中电阻值必须准确，否则，会引入误差；2）运放同向输入放大20倍，反向输

5、入放大40倍，不是标准的差动放大，长导线引入的电磁干扰有一半被放大后输入到下级电路中。因此，该电路不适合强电磁干扰工作环境。图3-3恒流源驱动的三线制热电阻测温传感器电路3.2单片机系统和V-I变换电路测温仪电路如图3-4所示，包括单片机系统电路、恒流源驱动的三线制热电阻测温传感器电路和V-I变换电路如图。单片机电路中包括MSP430F169芯片、时钟电路、复位电路和LCM12864显示电路。图3-4单片机系统和V-I变换电路V-I变换电路如图3-5 所示，输入电压V_A与输出电流Iout的关系如式（3-2）所示。 （3-2）当V_A=0.4V时，Iout=4mA；当V_A=2V时，Iout=

6、20mA，满足了设计要求。DAC12输出电压与测温度电阻阻值对应关系软件设计中调整。RL是电流源输出所接负载，外引线时注意电流方向。图3-5 V-I变换电路3.3系统电源电路系统电源电路如图3-6所示。图3-6系统电源电路3.4仪器标定和系统误差消除1）系统误差消除方法恒流源电路存在固定偏差1；测温电路放大倍数存在固定偏差2；A/D参考电源引入固定偏差3。上述电路做得又准又稳难度较大，若只求稳定允许存在一定的固定偏差，则相对容易。可通过仪器最后标定的方法消除该固定偏差系统误差。标定方法：用电阻箱代替Pt100，调电阻箱与分度表对应得R1U1D1T1，R2U2D2T2。T查表得出，D单片机测得数

7、据，若温度曲线是直线，则温度的计算公式如式（3-3）所示。 （3-3）d为单片机瞬时读入数据，t为该时刻对应测得的温度，消除了中间环节的系统误差。2）测量曲线的拟合与非线性误差的消除方法若温度曲线是非线性的，则应在计算程序中加入曲线拟合算法。具体方法：通过电阻箱和测量仪器得到D1、T1，D2、T2，D3、T3，Dn、Tn，在单片机存储区存入如表3-2所示数据表。表3-2T1T2T3T4T9T10D1D2D3D4D9D10T1/D1T2/D2T3/D3T4/D4T9/D9测量值的计算：单片机测得数据d，与Di比较，可得到所在区间DiDi+1，温度t计算公式如式（3-4）所示，该算法属一阶插值拟合

8、，是利用折线逼近曲线，若曲率大应采用高阶拟合算法或变步长制表、计算方法。变步长方法是在曲率大的部分加大标定测量点的密度。 （3-4）4电子式热阻信号校验仪4.1程控放器原理由电子式热阻信号校验仪电路框图可知，程控放大器电路是校验仪关键电路。设计中选用德州仪器公司的数模转换芯片TLC5618实现程控放大器功能。TLC5618外形图如图4-1所示。图4-1TLC5618芯片外形图图4-2片内功能框图引脚定义表如图4-3所示。典型应用电路如图4-4所示。图4-3引脚定义表图4-4典型应用电路由于片内含有同相比例放大电路（增益为2），因此选用200标准电阻可模拟出0-400阻值的测温电阻。恒流源驱动的

9、标准电阻输出电压接于芯片参考电压REFIN端，输入二进制数与输出电压关系如图4-5数据表所示。图4-5输入二进制数与输出电压关系表TLC5618芯片串行输入数据格式如图4-6所示。高四位为控制位，低十二位为数据位。控制位功能表如图4-7所示。串行时序图如图4-8所示。图4-6串行输入数据格式图4-7控制位功能表图4-8串行时序图4.2校验仪电路设计校验仪电路由MSP430F413芯片、复位电路、时钟电路、显示电路、按键电路、D/A转换器串行接口电路和5V直流稳压电源电路构成，如图4-9所示。5个按键分别对应输出模拟电阻的百位、十位、个位和小数点后第一位数字键以及确认键。HLD端接Pt100测温

10、仪恒流源输出，Lin1、Lin2和Lin3仿三端测温电阻接线端子。图4-9校验仪电路图4.3程序流程参照时钟电路和定时滚动按键处理程序编写。方案2-热电阻测温仪及配套电子式校验仪2009-5-15一电路作用1电阻测温：开关SW1、SW2拨于1端，P1.5低电平，程序读入0，进入测温程序，通过按键设定Pt100、Cu50和Cu100测温；2模拟校验电阻：开关SW1、SW2拨于2端，P1.5高电平，程序读入1，进入模拟电阻程序，通过按键设定电阻值；二各元件作用1U1A：构成I=1mA恒流源（单电源用法，电源电压12V）。2U1B：被测电压信号放大，Vo1=20I·RT。SW2接1端，测温

11、；SW2接2端，校验；3U2：电压跟随器，输入偏移量（负值），调整Uout电压范围。4U3：具有放大功能的加法器，调整Uout电压范围与A/D相适应。5U4：V-I变换器，输出电流Iout方向由上到下。6U5：电压跟随器，保护单片机D/A输出端。7C11、C12：单片机参考电压源端退耦（消除干扰）。8按键S0-S4：与SW1、SW2开关状态有关，作用自定义，但必须有确认键。9LCM12864：显示模块，显示仪器工作状态（测温、校验）、设定和测量参数。格式自定义。10MSP430F169单片机：控制、测量和模拟信号输出。三编程关键语句1初始化8MHz主时钟： BCSCTL1 = XT2OFF+S

12、ELS; / 清零位 = 高频xtal on BCSCTL2 = SELS; / 选择SMCLK = HF xtal 2初始化D/A转换：P6SEL = 0xc0; / 使能D/A输入通道ADC12CTL0 = REF2_5V + REFON; / 内部 2.5V 参考源接通 DAC12_0CTL = DAC12IR + DAC12AMP_5 + DAC12ENC; / 内部参考源 DAC12_1CTL = DAC12IR + DAC12AMP_5 + DAC12ENC; / 内部参考源3初始化A/D转换：P6SEL = 0x03; / 使能A/D输入通道ADC12CTL0 = ADC12ON

13、+MSC+SHT0_8+REFON+REF2_5V; / 接通ADC12ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_3; / 使用采样定时器，重复序列ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_1; / 片内参考源ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_1+EOS; / 片内参考源ADC12CTL0 |= ENC; / 使能转换ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 启动转换4D/A输出语句DAC12_0DAT = NUM_RAM0; DAC12_1DAT = NUM_RAM1; 5A/D读入语句NUM_RAM2 = ADC12MEM0; /移走A0结果IFG清零NU

14、M_RAM3= ADC12MEM1;四编程主流程：仿小时钟程序，测量、显示、计算和按键监控放于看门狗中断程序中。五LCM显示变化的数据const unsigned char showData_10=/16*8点阵的0_9和"." /小数点对应位置数10 0x00,0x00,0xE0,0x0F,0x10,0x10,0x08,0x20,0x08,0x20,0x10,0x10,0xE0,0x0F,0x00,0x00,/0 0x00,0x00,0x10,0x20,0x10,0x20,0xF8,0x3F,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,

15、/1 0x00,0x00,0x70,0x30,0x08,0x28,0x08,0x24,0x08,0x22,0x88,0x21,0x70,0x30,0x00,0x00,/2 0x00,0x00,0x30,0x18,0x08,0x20,0x88,0x20,0x88,0x20,0x48,0x11,0x30,0x0E,0x00,0x00,/3 0x00,0x00,0x00,0x07,0xC0,0x04,0x20,0x24,0x10,0x24,0xF8,0x3F,0x00,0x24,0x00,0x00,/4 0x00,0x00,0xF8,0x19,0x08,0x21,0x88,0x20,0x88,0x2

16、0,0x08,0x11,0x08,0x0E,0x00,0x00,/5 0x00,0x00,0xE0,0x0F,0x10,0x11,0x88,0x20,0x88,0x20,0x18,0x11,0x00,0x0E,0x00,0x00,/6 0x00,0x00,0x38,0x00,0x08,0x00,0x08,0x3F,0xC8,0x00,0x38,0x00,0x08,0x00,0x00,0x00,/7 0x00,0x00,0x70,0x1C,0x88,0x22,0x08,0x21,0x08,0x21,0x88,0x22,0x70,0x1C,0x00,0x00,/8 0x00,0x00,0xE0,0

17、x00,0x10,0x31,0x08,0x22,0x08,0x22,0x10,0x11,0xE0,0x0F,0x00,0x00,/9 0x00,0x00,0x00,0x30,0x00,0x30,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*"."*/ ;unsigned char showData_1116; /定义十六单元数组，每单元8位（16×8）void drawStr_10(unsigned char x,unsigned char y,int data) /显示数字 unsigned char t

18、mpv,tmpv_1; width=EN_WIDTH; /#define EN_WIDTH 8 / 数字字符串的长度 for(tmpv_1=0;tmpv_1<16;tmpv_1+) showData_11tmpv_1=showData_1016*data+tmpv_1; for(tmpv=y;tmpv<y+width;tmpv+) move_To(x/8,tmpv); /移动到指定页 write_Data(showData_112*(tmpv-y); /填写数据 move_To(x/8+1,tmpv); /由于显示的字符是16*N点阵，占用两页，现在移动到下页 write_Data

19、(showData_112*(tmpv-y)+1); /填写数据 *放大电路改了一条线。/* 文件名称：main.c* 文件说明：显示"Hello"，另加A/D和D/A转换初始化及读写语句。*/#define MSP430F169_H 0#include <msp430x16x.h>#define TOP 0 / 竖直方向零点#define BOTTOM 64 / 竖直方向坐标最大值#define LEFT 0 / 水平方向坐标最小值#define RIGHT 128 / 水平方向坐标最大值#define EN_WIDTH 40 / Hello 字符串的长度#d

20、efine CH_WIDTH 96 / 中文字符串的长度#define OP_CHINESE 1 / 选择显示中文字符#define OP_ENGLISH 2 / 选择显示英文字符unsigned int cont,y0,y1,y2,NUM_RAM0,NUM_RAM1,NUM_RAM2,NUM_RAM3; /秒、时、分存储变量unsigned char showData=/16*8点阵的"Hello"0x08,0x20,0xF8,0x3F,0x08,0x21,0x00,0x01,0x00,0x01,0x08,0x21,0xF8,0x3F,0x08,0x20,/H (0)0x

21、00,0x00,0x00,0x1F,0x80,0x22,0x80,0x22,0x80,0x22,0x80,0x22,0x00,0x13,0x00,0x00,/e (1)0x00,0x00,0x08,0x20,0x08,0x20,0xF8,0x3F,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,/l (2)0x00,0x00,0x08,0x20,0x08,0x20,0xF8,0x3F,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x00,0x00,0x00,/l (3)0x00,0x00,0x00,0x1F,0x80,0x20,0x80,0x20,0x80

22、,0x20,0x80,0x20,0x00,0x1F,0x00,0x00,/o (4);unsigned char px, / 显示字符串的X位置py, / 显示字符串的Y位置width; / 字符串的宽度/ write_Command(),用于写命令到LCD，CS(片选)在此函数外设置void write_Command(char cmd)P3OUT &= 0xfb; /禁止 ENP5DIR = 0xff;P3OUT &= 0xfc; /rs=0 ,r/w=0P5OUT = cmd;P3OUT |= 0x04; /使能P3OUT &= 0xfb; /禁止/ 设置显示的位

23、置,含片选void move_To(char x,char y)unsigned char tmp;tmp=(y&0x7f);if(tmp<64) /如果位置在Chip1P3OUT &= 0xbf; /cs2=0P3OUT |= 0x08; /cs1=1write_Command(0xb8 + x); /设置 xwrite_Command(0x40 + tmp); /设置 yelse if(tmp>63) /在 chip2P3OUT &= 0xF7; /cs1=0P3OUT |= 0x40; /cs2=1write_Command(0xb8 + x); /设

24、置 xwrite_Command(0x40 + tmp-64); /设置 y/ write datavoid write_Data(char content)P5DIR = 0x00; / 置位输入模式P3OUT |= 0x02; / r/w=1 读状态P3OUT |= 0x04; / chip 使能while(P5IN & 0x80)=0x80);/检测LCD是否忙P3OUT &= 0xfb; /disable ENP5DIR = 0xff;P3OUT &= 0xfc; /rs=0 ,r/w=0P3OUT |= 0x01; /rs=1P5OUT = content;P

25、3OUT |= 0x04; /p2.2=1 使能P3OUT &= 0xfb; /p2.2=0 禁止/ 在指定的位置显示字符串"Hello" ,x是行坐标，y是列坐标，0=<x<=RIGHT - 字符串长度/ 0=<y<=BOTTOM-字符串高度void drawStr(unsigned char x,unsigned char y)unsigned char tmpv;for(tmpv=y;tmpv<y+width;tmpv+)move_To(x/8,tmpv); /移动到指定页write_Data(showData2*(tmpv-y)

26、; /填写数据move_To(x/8+1,tmpv); /由于显示的字符是16*N点阵，占用两页，现在移动到下页write_Data(showData2*(tmpv-y)+1); /填写数据/ 清除chip1或者chip2上的某一区域，选择的区域只是在/ 同一chip上,x是页地址,Y是列地址,h是多少行,w是指多少/ 列.区域可以是两个片组成的区域的任何位置void clear_Rect(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char h,unsigned char w)unsigned char tmpv,tmp;for(tmpv=x;tmpv&

27、lt;(x+h);tmpv+)for(tmp=y;tmp<(y+w);tmp+)move_To(tmpv,tmp);/移动write_Data(0x00); /在当前位置写0，即清除当前位置的显示内容/ 初始化LCDvoid init_LCD(void)P5DIR = 0xff; / 设置P5输出模式P5OUT = 0x00; / 初始值为0P3DIR |= 0xcf; / P4.0P5,P4.6,p2.7 置为输出模式P3OUT |= 0x48 ; / cs1,cs2 为1,reset=0_NOP();_NOP();_NOP();P3OUT |= 0x04; / en=1P3OUT |

28、= 0x80;write_Command(0xc0); /write_Command(0x3f); /显示开clear_Rect(0,0,8,64); /清除第一块clear_Rect(0,64,8,64); /清除第二块/*WDT中断服务程序*/interruptWDT_VECTOR void watchdog_timer(void)cont=cont+1;P1OUT = 0x80; / Toggle P1.7 using exclusive-ORif(cont=4)cont=0;y0=y0+1; /秒加1if(y0=60)y0=0;y1=y1+1; /60秒为1分,分加1if(y1=60)

29、y1=0;y2=y2+1; /60分为1小时,小时加1if(y2=24)y2=0 ; /24小时再清零_NOP();/ main函数void main(void)/WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 停止看门狗WDTCTL = WDT_ADLY_250; / WDT间隔时间为250ms（ACLK）BCSCTL1 = XT2OFF+SELS; / 清零位 = 高频xtal onP1DIR |= 0x80; / Set P1.7 to output directionP1OUT |= 0x80;IE1 |= WDTIE; / 使能WDT中断P6SEL |= 0xc0; / 使能D/A输入通道A