智能仪器设计

1、第二节 温度仪表设计 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫 目前国际上用得较多的温标有、摄氏温标和热力学温标。 1华氏温标（oF）在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为oF。摄氏温标（）在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为。热力学温标（K）又称开尔文温标，或称绝对温标，规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。2一、温度仪表概念 作用： 把温度值通过某种方法转换成可以观察、记录、传输的量。 发展：

2、模拟式温度计、数字式温度计、智能温度仪表 种类：温度显示仪表、温度控制仪表、温度变送仪表3温度仪表的种类玻璃温度计数字式温度计红外温度计4 例： 设计一个温度显示仪表，温度变化非常缓慢，如室内温度； 要求测量范围0100，精度1，分辨率0.1； 仪表以3位LED显示温度值； 传感器采用热电阻。 5输入接口：温度传感器、调理放大、A/D转换微处理器：把信号处理成相应的温度值输出接口：实现温度的控制通讯接口：实现温度值的传输人机接口：温度值的显示二、 温度仪表的基本构成由以下五个部分组成6仪表基本框图751系列单片机81、传感器选择 （1） 测量范围：0100 ， 工作范围取10110； 铜电阻、

3、铂电阻、热电偶都可以满足 （2） 精度1 铂电阻、热电偶都可以满足，铜电阻比较困难 * 选择铂电阻三、仪表设计传感器与信号调理9PT100铂电阻分度表10工业铂热电阻分度表（分度号：Pt100） R0=100 a=0.003850温 度（）0102030405060708090电 阻 值 ()-10060.2556.1952.1148.0043.8739.7135.5331.3227.0822.80-0100.096.0992.1688.2284.2780.3176.3372.3368.3364.300100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.

4、07130.89134.70100138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16200157.84179.51183.17186.82190.45194.07197.69201.29204.88208.45PT100铂电阻分度表（简化）112、信号调理要求 （1） 传感器的输出为电阻 （2） 传感器输出范围 工作范围：10110 ； 对应电阻变化：96.09142.29 （3） 信号调理的目标 把电阻值转换成对应的电压值，供给A/D三、仪表设计传感器与信号调理12电阻电压的变换 A1. 分压电路：利用电阻分压的方法实现转

5、换； A2. 电桥电路：改进的分压方法，改进了零点与线性。 三、仪表设计传感器与信号调理13A1. 分压电路 RRxVoVi 输出电压与传感器的关系： Vo=Vi * Rx/(R+Rx) Rx为传感器电阻 Rx范围： 96.09142.29 假设：A/D范围010V，Vi=5V, R=100则Vo的变化范围为：5*96.09/196.09 5*142.29/242.29 即2.452.93V放大3倍后： 7.358.79V 变化范围小，不能充分利用A/D量程，分辨率低。 三、仪表设计传感器与信号调理14A2. 电桥电路 输出电压与传感器的关系： Vo=Vb-Va =ViRx/(Rx+R1)R3

6、/(R3+R2) Rx为传感器电阻 同样 Rx：96.09142.29 ， A/D范围010V，Vi=5V, R1=R2=100, R3=96则Vo的变化范围为：00.48V 通过放大20倍，可以把范围调整为 0 9.6V，变化范围大，可以充分利用A/D量程，提高分辨率。 R1RxVaViR2R3Vb三、仪表设计传感器与信号调理15B. 放大电路 目的： 对电压Vo=VbVa进行放大要求：由足够大的输入阻抗，防止电阻分压，影响电桥的输出；有良好的线性；有很小的输出阻抗，保证A/D器件的驱动。 R1RxVaViR2R3Vb三、仪表设计传感器与信号调理16R1RxVaViR2R3Vb温度 1011

7、0时，电阻Rx变化： 96.09142.29 ， 取Vi = 5V, R1=R2=100 , R3=96 ，则：Vo00.48V若A/D范围010V，则需放大20倍，把范围调整为 0 9.6V即取放大倍数K=20放大电路参数: 三、仪表设计传感器与信号调理17R1RxVaViR2R3Vb采用差动放大三、仪表设计传感器与信号调理18放大倍数K=20取R1=R3, R2=R4则：V0=(V2-V1)(R1+R2)/R1取：R1=20K，则R2=380K运放电路参数设置：三、仪表设计传感器与信号调理19滤波抗干扰电路C的取值和滤波强度有关一般取 0.10.47uF三、仪表设计传感器与信号调理20Pt

8、100采用三线制连接运放电路放大倍数20传感器与运放电路21 引线电阻补偿方法示意图(a) 二线连接方法；(b) 三线连接法221. A/D的要求：1）精度与分辨率 0100度的温度，分辨率0.1度，即1/1000； 因此A/D的数字量应该在1024以上，即10位以上；2）速度 室温变化较慢，A/D取 315次/秒 *可以选择AD574四、仪表设计 A/D的选择23图3.31 AD57A的管脚图2、AD574回顾引脚图242、AD574回顾单极性输入连接252、AD574回顾控制状态262、AD574回顾 启动转换和读数据时序 27 3、AD574A与8051的接口 281）启动AD状态CE=

9、0,CS=1,R/C=1（1）CS 置为0（2）R/C 置为0（3）CE 置为1（4）CS 置为1（5）R/C 置为1（6）CE 置为012bit A/D等待25us后A/D结束或等待STS变低 4、AD574工作时序分析292）读取AD数据 4、AD574工作时序分析状态CE=0,CS=1,R/C=0（1）CS 置为0（2）R/C 置为1（3）CE 置为1（4）读取低8位数据（5）读取高4位数据（7）CE 置为0（8）R/C 置为0（9）CS 置为130 5、AD采样程序AD子程序的基本功能： 启动AD，读取A/D的值； 把AD的值存放到指定的位置；AD的基本过程如下： 启动AD 等待AD结

10、束 读取AD值到指定的单元 返回1）AD子程序基本功能31 5、AD采样程序子程序名称： AD574_sample子程序功能：启动AD574转换12BIT转换，把转换结果 保存到AD_highvalue, AD_lowvalue ； 子程序涉及控制信号与存储单元的宏说明： AD_highvalue: AD的数据的高4位 AD_lowvalue: AD的数据的低8位 AD574_CS: AD574的 CS对应控制信号 AD574_CE: AD574的 CE对应控制信号 AD574_RC: AD574的 R/C对应控制信号 AD574_STS: AD574的 STS对应控制信号 AD574_low

11、port: AD574的低8位对应的数据口 AD574_highport: AD574的高4位对应的数据口2）子程序说明32 5、AD采样程序3）子程序流程框图开始保护现场启动AD等待AD结束读取AD值并保存恢复现场结束保护现场： 把子程序中所有用到的寄存器和存储单元保存到堆栈中；恢复现场： 把堆栈中的值恢复到的寄存器和存储单元中。33 5、AD采样程序4）子程序开始：AD574_sample；保护现场：寄存器和 存储单元堆入堆栈；启动AD：等待AD结束： if AD574_STS=1 继续 等待，否则结束等待；读取AD值： 把AD数据保存到 AD_lowvalue， AD_highvalue

12、中；恢复现场： 把堆栈中的值恢复到 寄存器和存储单元中；AD结束返回启动AD过程：设置初时状态 AD574_CS=1; AD574_RC=1; AD574_CE=0 启动AD AD574_CS=0; AD574_RC=0; AD574_CE=1 启动完成 AD574_CS=1; AD574_RC=1; D574_CE=0读取AD数据过程：设置初时状态 AD574_CS=1; AD574_RC=0; AD574_CE=0 设置AD574为读状态 AD574_CS=0; AD574_RC=1; AD574_CE=1 读数据 AD574_lowport数据送给 AD_lowvalue； AD574_

13、highport数据送给 AD_highvalue； 读数据完成 AD574_CS=1; AD574_RC=0; AD574_CE=034四、仪表设计 LED显示1、LED显示的要求 1）显示位数 3位LED显示，显示范围0100度； 2）显示方式 动态扫描显示35 2、LED与8051的接口 段选信号：P1口；位选信号：十位P3.0， 个位P3.1，小数位P3.2；段驱动：74HC245；位驱动：ULN2003；36 3、温度值的显示过程分析温度显示过程如下： 1）启动AD转换，读取AD的数值； 2）根据AD的值进行计算，得到对应的温度值； 3）根据得到的温度值，转换成LED显示的显示码；

14、4）把LED的显示码送到LED中显示； 5）延时等待 6）重复1）5）的过程37因此，可以把程序分成5个子程序来实现： 子程序1：AD574_sample 把采样值放在AD_highvalue, AD_lowvalue中；子程序2：TEMP_compute 根据AD_highvalue, AD_lowvalue的值，计算对应的温度值， 计算结果放在TEMP_high, TEMP_middle, TEMP_low中； 子程序3：LEDCODE_compute 根据TEMP_high, TEMP_middle, TEMP_low的值，换算成LED显示码，存放在LEDDISP_high, LEDDISP_middle, LEDDISP_low中； 子程序4：LED_display 把LEDDISP_high, LEDDISP_middle, LEDDISP_low的数据送往LED中显示； 子程序5：T