智能溫度檢測儀.doc

智能儀器原理及應(yīng)用題目一：智能溫度檢測儀學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號(hào)同 組 同 學(xué)指 導(dǎo) 教 師學(xué) 院 二一六年十一月九號(hào)2016-2017學(xué)年第一學(xué)期 成績：一、設(shè)計(jì)要求1.1、題目任務(wù)要求選用溫度傳感器PT100，恒流源電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)碼管，采用MCS-51 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集、處理和顯示。1.2、設(shè)計(jì)具體功能要求1、 三線制PT100及恒流源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；2、 放大和比較電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)-10C+100C轉(zhuǎn)換為0+5V電壓輸出；3、 ADC芯片的選取及和單片機(jī)接口設(shè)計(jì)；4、 多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)；5、 編寫數(shù)據(jù)處理程序和標(biāo)度變換程序。二、設(shè)計(jì)題目介紹及分析溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一，無論是在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)場所，還是在居住休閑場所，溫度的采集或控制都十分頻繁和重要，而且，網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程采集溫度并報(bào)警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。 由于溫度不管是從物理量本身還是在實(shí)際人們的生活中都有著密切的關(guān)系，所以溫傳感器就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達(dá)到測溫的目的。由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關(guān)系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產(chǎn)了PT100熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在-200+200，濕度采集范圍是0%100%。pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成（由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的，因此信號(hào)轉(zhuǎn)換器作為獨(dú)立產(chǎn)品時(shí)也稱為變送器），有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現(xiàn)場總線功能。此次我們利用MCS-51系列單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)這一智能溫度檢測儀。實(shí)現(xiàn)-10C+100C溫度范圍內(nèi)的溫度檢測。三、設(shè)計(jì)方案論證智能溫度檢測儀的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。具體包括：三線制PT100及恒流源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、放大和比較電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)-10C+100C轉(zhuǎn)換為0+5V電壓輸出、ADC芯片的選取及和單片機(jī)接口設(shè)計(jì)、多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)、編寫驅(qū)動(dòng)程序、編寫數(shù)據(jù)處理程序和標(biāo)度變換程序。在本設(shè)計(jì)中，是以電阻PT100作為溫度傳感器，采用恒流測溫的方法，通過單片機(jī)進(jìn)行控制，用放大器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號(hào)的采集。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元、溫度顯示單元。數(shù)碼管 MCS-51單片機(jī)PT100 溫度傳感器系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。A/D轉(zhuǎn)換電路信號(hào)放大電路恒流源電路 圖3-1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖四、具體硬件設(shè)計(jì)說明4.1三線制PT100及恒流源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)于熱電阻的測量電路我們采用三線式的測量電路等，三線制PT100中，電阻一端是一根連線，另外兩端接2跟連線，三根線的電阻值相等。在橋式電路中引用了恒流源，如圖4-1所示。 圖4-1 三線制PT100及恒流源驅(qū)動(dòng)電路圖4-1中，差分電壓只與PT100的阻值有關(guān)，所以，只需通過減法電路，得到V1和V2的差值，再通過放大電路，就可以輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中。4.2 放大電路和比較電路設(shè)計(jì)圖4-2 差分放大電路此放大電路可以實(shí)現(xiàn)-10-100轉(zhuǎn)化為0-5v的電壓輸出，如圖4-2所示，采用的為差分放大電路。4.3 ADC芯片的選取及和單片機(jī)接口設(shè)計(jì)PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，如圖4-3所示，看起來非常接近于直線。因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T) 其中=0.00392, Ro為100(在0的電阻值),T為華氏溫度。但是對(duì)于此次設(shè)計(jì)，這個(gè)精度顯然不夠。又找到了以下關(guān)系表達(dá)式子。其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0100范圍內(nèi)：Rt =Ro(1+At+Bt2)在-100范圍內(nèi)：Rt =Ro(1+At+Bt2+C(t-100)t3) 式中A、B、C 為常數(shù)，A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；所以這次設(shè)計(jì)的最高電阻值約為RH=R0 (1+At+Bt2) 圖4-3 PT100電阻-溫度變化圖=100（1+3.9684710-3*100+-5.84710-7*100*100） 139.1最低電阻值約為 RL=R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) =100（1+3.9684710-3*-10+-5.84710-7*-10*-10+-4.2210-12） 96.03約跨度RH -RL=43.07其中跨溫度110 ，采樣精度1也就意味著差不多110個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)平均分?jǐn)?.392的電阻。通過查閱PT100的使用說明得知，PT100的工作電流理應(yīng)不超過1mA,所以兩端電壓值的變化量需要被檢測出來的最大分辨率應(yīng)該是：1mA*0.392=0.392mVPT100兩端的電壓值的取值范圍大概為0.096V0.139V110個(gè)采樣點(diǎn)需要7位二進(jìn)制來表示，所以AD轉(zhuǎn)換器需要分辨率7位以上，這里采用8位的ADC0809芯片：ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口11。（1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由圖2-9可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（2）引腳說明 圖4-4 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖4-5 ADC0809引腳圖IN0IN7：8條模擬量輸入通，ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A、B和C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A、B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道地址表如下表4-6所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表4-6 通道地址表字量輸出及控制線：ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST出現(xiàn)上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。VREF（）、VREF（）為參考電壓輸入。單片機(jī)我們選用MCS-51單片機(jī)，ADC0809引腳與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)如下：（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與MCS-51單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)。 單片機(jī)這里我們選用的是MCS-51系列的8031單片機(jī)，圖4-7為ADC0809與單片機(jī)0821接口電路。圖4-7 ADC0809與單片機(jī)8031接口電路4.4多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。圖4-8所示為0.5英尺LED數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng)ag筆段構(gòu)成“日”字形另一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點(diǎn)。因此這種LED顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管圖4-8 LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。本設(shè)計(jì)選動(dòng)態(tài)掃描方式的六位七段LED顯示器。其接口電路如圖4-9所示，接口芯片采用8155，其中PA口用于輸出段碼，PB口用于輸出位選碼，其地址分別為FD01H和FD02H。圖4-9 LED數(shù)碼管顯示電路五、軟件設(shè)計(jì)說明本設(shè)計(jì)采用C51高級(jí)語言編寫，因?yàn)槠涮峁┝藥旌瘮?shù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，關(guān)鍵字及控制轉(zhuǎn)移方式更接近人的思維方式，且 本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，移植方便。5.1各部分程序流程圖主程序流程圖：主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，信號(hào)放大，A/D轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖5-1所示。開始系統(tǒng)初始化PT100溫度數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換器處理讀到的數(shù)據(jù)送LED數(shù)碼管顯示結(jié)束圖5-1 主程序流程圖溫度轉(zhuǎn)換程序流程如圖5-2所示，開始初始化函數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回圖5-2 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖顯示流程圖如圖5-3所示， 開始系統(tǒng)初始化調(diào)用溫度子程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用掃描按鍵程序圖5-3 顯示子程序六、測試及調(diào)試整個(gè)溫度檢測系統(tǒng)由測控電路、放大電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及顯示部分構(gòu)成，其中顯示部分用的是單片機(jī)板，所以電路的設(shè)計(jì)主要是測控、信號(hào)放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換的部分。把測控電路和放大電路連接起來組合調(diào)試。把測控電路的可調(diào)電阻調(diào)整為100，那么兩橋臂的阻值相等，輸出的電壓都是2.5V,壓差為0，那么ADC0809的輸出也為0。調(diào)節(jié)測控部分的可調(diào)電阻、ADC0809的兩個(gè)可調(diào)電阻，儀用放大器的輸出都會(huì)呈線性變化，如果出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，那么說明電路是正確的。在實(shí)際的焊接過程中，并沒有這么順利。橋式電路的輸出電壓是正確的，可是電路連入放大部分的時(shí)候，不管怎樣調(diào)節(jié)電阻，輸出都是呈飽和狀態(tài)，不管接入?yún)⒖茧妷号c否。這個(gè)問題到最后也沒查出原因，只好把這兩部分電路重新焊接了一遍。焊接后的電路，現(xiàn)象正確。把AD623的輸出電壓接到ADC0809，并接入顯示電路，設(shè)計(jì)一個(gè)顯示程序，把AD623輸出的電壓顯示到數(shù)碼管上。顯示的結(jié)果是正確的，但如果調(diào)節(jié)焊接電路的可調(diào)電阻，數(shù)碼管的顯示不會(huì)更新，檢查電路后，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)管腳焊接斷開了，把斷開部分用焊錫接上以后，電路的調(diào)試通過，換上鉑熱電阻。與溫度傳感器連接通電后，可以實(shí)現(xiàn)測量溫度的基本功能，通過led顯示讀出溫度值，但是由于理論與實(shí)際并不能完全對(duì)應(yīng)，測出的溫度值有很大誤差，經(jīng)過調(diào)試