华中科技大学-测控技术与系统实验报告

2013-2014学年度第二学期测控技术与系统实验报告——电压校准、热电阻测温院系： 自动化学院 专业班级： 测控1102班 黄为指导老师：黄为实验成绩： 实验一电压测量基本实验一、 实验目的熟悉CKXT-I的系统开发方法；熟悉KeilC软件开发环境；熟悉CKXT-I型综合实验仪的电压测量的基本功能。二、 基本原理利用综合实验仪的模拟通道可实现高精度的电压测呈。综合实验仪采用的100kspsl2位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,这种类型的A/D转换器由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低。综合实验仪的内部芯片C8051F005包括一个逐次逼近寄存器型AD。其基本模拟输入转换通道的结构如图所示。模拟通道包括多路模拟开关(AMUX),可编程增益放大器(PGA),12位逐次逼近型A/D转换器等。人必冈AIN1冈All12^A/N3冈A阳冈働5区｝A"呕MJ7冈ADCOGTHADCOGTLADCOLTLAD'HINT>1AMXOSL人必冈AIN1冈All12^A/N3冈A阳冈働5区｝A"呕MJ7冈ADCOGTHADCOGTLADCOLTLAD'HINT>1AMXOSLADCOCF温度传感器久GNQT2QV\CWVS7R—AC9USY(w)ADCENAVi由ADCOLTHAMXOCF940-1AMUX(SEorDIFF)AGND12位8ARADC r* eJ「ADCOCN图ADC接口三、 实验内容及设备实验内容：取一直流电压（如CSY-3000应变电桥实验模块的输出），接入CKXT-I实验仪的主模拟输入通道，编程实现该直流电压的测量，获得测量数据并进行分析。实验设备：CSY-3000实验仪；CKXT-I型综合实验仪；信号源；万用表。四、 实验步骤1、 在CSY-3000实验仪上找出电压输出接口，用导线分别将其接入CKXT-I型综合实验仪的电压采集端口ADO和AG7D端口。2、 在本次试验中，为了获得较高精度，采用电压采集输入端口ADO采集模拟电压信号。3、 在CSY-3000实验仪上找出电压表测量输入接口，将CSY-3000实验仪上测得的电压值作为参考标准电压，将CKXT-I型综合实验仪作为待标定的电压。

O41i!o-inOIMO]«AIITO OIToC-5T«UTKill'oc•(W・【期跌貓緘就华冷技焙控解学与工程系oO.]O IfCOM•<Skf分压网络与接线图4：$lKMrcotonroi-O41i!o-inOIMO]«AIITO OIToC-5T«UTKill'oc•(W・【期跌貓緘就华冷技焙控解学与工程系oO.]O IfCOM•<Skf分压网络与接线图4：$lKMrcotonroi-说明:1、 CKXT-I型综合实验仪按要求接线，其中ADO端口用于釆集模拟电压信号。2、 分压网络a端接CSY-3000实验仪上2V标准输出电压，所有接地端接到一起。3、 编程，采集并记录测量得到的电压值4、 改变滑动变阻器的阻值，得到不同电压值用于标定CKXT-I型综合实验仪上的电压关系。实验中通过采集模拟IV和电压，通过拟合线性关系得出电压值并通过数码管显示。5、 标定之后比较实际电压值与单片机显示电压值进行比较观察误差。五、 实验现象和结论通过按照实验电路图进行接线，并通过keil软件与CKXT-I型综合实验仪进行调试后，CKXT-I型综合实验仪在电压校准后数码管上显示的电压值与实际电压值的误差为Omm或者lmm,说明测量误差控制在很小的范围内，达到电压测疑的目的。六、 核心程序注释Rt=RtO[l+a(t-tO)]

明显优于100明显优于100欧姆的铠热电阻，只要用于65(TC以上的温区:100欧姆铠热电阻主要用于65(TC以下的温区，虽也可用于6509以上温区，但在650乜以上温区不允许有A级误差。100欧姆铠热电阻的的分辨率比10欧姆铠热电阻的分辨率大10倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650r以下温区测温应尽量选用100欧姆铠热电阻。5、将电阻值的测量转换为电阻两端电压的测量温度传感器实验模板及连线图(图1):温度传感器实验模板"15wUoRv2ORaio按主"15wUoRv2ORaio按主tn各购Rw3O将O将Vo接综具体电压测量电路如下:电阻箱电阻与R3、RLRwl、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。调R讥使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间输出为零。调Rvv3使V02=0,接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零，去除放大器零漂电压。适当的调节Rw2荻得合适的增益，以便于电压值的测量显示。通过改变电阻箱阻值，Vo端将得到对应的电压值。实验思路：我们小组从以上实验原理中分析得知，本次实验根据不同温度设定电阻箱的阻值（对应不同温度下PtlOO的阻值），通过测定电阻值两端电压得到电压值与电阻值（对应温度）的关系，从而得到电压值与温度的关系。经过电压校正后，可以实现到高精度的电压值测量。根据拟合得到的电压与温度的关系可由测得的电压值计算出对应的温度值。并与实际温度进行参照，分析误差。三、实验内容：利用综合实验仪设计热电阻温度计：1、 利用标准电阻箱作为热电阻测温代替PT1OO电路实验2、 设计一种三线制测温电路，分析其原理和误差；3、 用实验仪设计实现温度仪；4、 利用标准电阻箱对电阻测量进行标定；5、 根据分度表进行线性校正。四、 实验设备：标准电阻箱（PtlOO热电阻），CSY-3000实验仪，CKXT-I型综合实验仪，万用表。五、 实验步骤：1、 用万用表欧姆档测出PtlOO三根线中其中短接的二根线（同种颜色的线）设为1、2,另一根设为3,并测出它在室温时的大致电阻值（实际测得欧姆）。2、 在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下，再根据图1示意图接线，温度传感器实验模板中a、b（Rt）两端接传感器，这样传感器（Rt）与R3、Rl,R讥、R4组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。3、 放大器调零、调增益：将图1中的温度传感器实验模板的放大器的两输入端引线（一根传感器引线、另一根桥路输出即Rwl活动触点输出）暂时不要引入，而用导线直接将敖大器的两输入端相连（短接）；将主机箱上的电压表量程（显示选择）切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2（逆时针转到底）增益电位器，使放大器增益最小；再调节RW3（调零电位器）使主机箱的电压表显示为0。4、 关闭主机箱电源开关，将电阻箱接入电路，并将实验模板中放大器的输入端引线按图1连接，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。5、 参照ptlOO热电阻的分度表得出0—15（TC对应的电阻箱的阻值，并通过实验模板的电路将不同温度对应的电压在实验仪上显示出来。为减小误差在每一温度点可测取多组电压值，求平均值后填入下表中6、 使用Matlab来处理实验得到的数据。先把测量得到的数据利用最小二乘法进行线性拟合。并将拟合求得的公式写入CKXT-I的程序中，实现将采集到的电压值转换为温度值并将测量结果显示在LED上。将测量的温度填入表中。（7、 将测量温度和给定温度进行比较，并分析温度测量过程中存在的误差。六、数据记录与分析：1.未考虑电阻箱电阻，对电压求2次平均（正反）后得出的实验数据:温度代）电阻箱电阻（Q）电压（V）单片机显不温度代）015610121517

2022252730323537404245475052555760626567707275778082858790929597100•102105107110112115117120122125)127130132135137140142145147150152实验数据处理（散点和拟合曲线图见下页图2）：T-U特性关系的拟合曲线为：T二多数温度的测量值与给定值之间的差值为2摄氏度。

2.去除电阻箱电阻（欧姆），对电压求4次平均（2次正反）后得出的实验数据:温度（°C）电阻箱电阻（Q）电压（V）单片机显不温度（r）0•156101115\162021252630•31353640414546505155566061656670717576808185)86909195961001011051061101111151161201211251126130131135136140142145147150152实验数据处理（散点和拟合曲线图见下页图3）：T-U特性关系的拟合曲线为：T二多数温度（0-135。0的测呈值与给定值之间的差值为1摄氏度，仅140-145X：的误差为1°C,测量的准确性得到很大的改善。绝对误差△Pt 非线性误差6=1/150xlOO%二％（0-150X：）附图:图2未考虑电阻箱阻值使得拟合曲线图3去除电阻箱阻值使得拟合曲线实验分析:从以上两组实验的参照中，可以得出，热电阻的电阻箱自身的阻值对误差的测量存在一定的影响。应该校准电阻箱的阻值进行电压的测量。-：.)温度较高处(i4(rc以上)的测量误差比温度较低处的测量误差大。观察Ptioo的分度表后发现阻值的变化也并非完全线性变化，如op—i(rc之间的电阻差为q,而到了140°C—150°C之间的电阻差为Q,发现等温差时的电阻差随着温度的升高在减小，而我们在实验数据拟合时采用最小二乘法拟合，因此这是高温处的误差会比较大的原因。而我也在考虑，对于测得的实验数据要不要使用高次拟合以提高测量精度(如2次拟合)。对电压值进行重复多次测量很有必要，能在一定程度上消除重复性带来的误差。能够提高测量精度。本次实验中，我们小组有一个不足的地方是仅在数码管上显示温度的个位数以上的位数，未能显示小数点以后的位数，导致测量精度降低，主要是程序的实现问题。实验后我们积极总结，又重新更改了程序，将在接下来程序注释中对这部分功能进行修正。实验误差总结：实验过程中，一旦一些细节不注意，就会给实验带来较大的误差，下面我对本次实验中可能会带来误差的地方进行归纳和总结，我们在实验过程中的误差可能产生的原因带下划线：自行总结~七、核心程序注释//CKXT-I型综合实验仪上4个按键的控制功能配置的程序while(l){//对釆集到的温度值进行标定>if(KEYO==LEFTJCEY) //在电压为IV时按左键采集记录{KEYO&=0；disp_flag=0；ADINL=GetADCResult(O)；}if(KEYO==RIGHTKEY) //在电压为时按子右键采集记录

KEYO&二0；dispflag=0；ADINH二GetADCResult(O)；voltL=AD_INL*4096； //将电压为IV时的AD值转化为电压值voltH=AD」NH*4096； //将电压为时的AD值转化为电压值for(i二0；i<100；i++) //进行100次采样{AD.IN=GetADCResult(O)； //釆集实时电压输入点voltM=ADIN*4096； //将AD值转化为电压值volt+=(voltM-voltL)*500/(voItH-voltL)+l000；//对采集到的电压值进行修正volt=volt/100；值volt=volt/100；值if(KEYO==MIDLKEY){KEYO&二0；dispflag=0；DisIntNum(volt)；volt=0；}if(KEYO==MIDRKEY)dispflag//求取100次采样的平均//按中左键显示采集的电压值//按中右键显示温度值，配置参量KEYO&二0；dispflag=1；}if(dispflag){/*将拟合公式计算求得的浮点型温度值乘以10,通过整数的数码管显示出含1个小数点位的温度材TEMPERATURE二(*volt+)*10；DisIntNum(TEMPERATURE)；CH452Write(CH452_SETBIT+0x002b):〃显示小数点

else{DisIntNum(volt)；〃显示小数点CH452Write(CH452SETBIT+0x003b):〃显示小数点volt=0；}}//CKXT-I型综合实验仪上数码管显示程序voidDisIntNum(intnum){intquotient,remainder；remainder=num%10；quotient=num/10；CH452Write(0x0800+remainder):remainder=quotient%10；quotient=quotient/10；CH452Write(0x0900+remainder):remainder=quotient%】。；quotient=quotient/10；CH452Write(0x0a00+remainder):remainder=quotient%10：quotient=quotient/10；CII452Write(OxObOO+remainder):}八、思考题请分析、推导和说明三线制、四线制接法是如何消除导线电阻的影响的答：如上图所示：由于热电阻本身的阻值较小，随温度变化而引起的电阻变化值更小，例如，铠电阻在零度时的阻值R0=100Q,铜电阻在零度时R0=100Qo因此，在传感器与测量仪器之间的