智能溫度檢測儀

1、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 同組同學(xué) 指導(dǎo)教師 學(xué)院二一六年十一月九號2016-2017 學(xué)年第一學(xué)期成績：、設(shè)計要求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 系列單片機實現(xiàn)溫度信號的采集、處理和顯示。1.2、設(shè)計具體功能要求1、三線制 PT100 及恒流源驅(qū)動電路設(shè)計；2、放大和比較電路設(shè)計，實現(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接口設(shè)計；4、多位數(shù)碼管動態(tài)顯示設(shè)計；5、編寫數(shù)據(jù)處理程序和標(biāo)度變換程序。、設(shè)計題目介紹及分析溫度是自然界

2、中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一， 無論是在生產(chǎn)實驗場所， 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)化遠程 采集溫度并報警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個必然趨勢。 由于溫度不管是從物理量本 身還是在實際人們的生活中都有著密切的關(guān)系， 所以溫傳感器就會相應(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

3、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)準化輸出信號的儀表。 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 信號轉(zhuǎn)換器。 傳感器主要是熱電偶或熱電阻； 信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、 信號 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)準化的， 因此信號 轉(zhuǎn)換器作為獨立產(chǎn)品時也稱為變送器） ，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

4、MCS-51 系列單片機結(jié)合溫度傳感器技術(shù)設(shè)計這 一智能溫度檢測儀。實現(xiàn) -10 C+100C 溫度范圍內(nèi)的溫度檢測。三、設(shè)計方案論證智能溫度檢測儀的設(shè)計， 包括硬件和軟件的設(shè)計。 具體包括： 三線制 PT100 及恒流源驅(qū)動電路設(shè)計、放大和比較電路設(shè)計，實現(xiàn) -10C+100C 轉(zhuǎn)換為 0+5V 電壓輸出、 ADC 芯片的選取及和單片機接口設(shè)計、多位數(shù)碼管動態(tài)顯示 設(shè)計、編寫驅(qū)動程序、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， 通過單片機進行控制， 用放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器進行溫度信號的采集。本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元

5、、 單片機數(shù)據(jù)處理單元、 溫度顯示單元。 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖四、具體硬件設(shè)計說明4.1 三線制 PT100及恒流源驅(qū)動電路設(shè)計對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)計圖 4

6、-2 差分放大電路此放大電路可以實現(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接口設(shè)計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。但是對于此次設(shè) 計，這個精度顯然不夠。又找到了以下關(guān)系表達式子。其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0 100范

7、圍內(nèi)：Rt =Ro(1+At+Bt 2)在-100范圍內(nèi)：Rt =Ro(1+At+Bt 2+C(t-100)t3) 式中 A、 B、C 為常數(shù)，A=3.96847 10-3；B=-5.847 10-7；C=-4.22 10-12；所以這次設(shè)計的最高電阻值約為RH=R0 (1+At+Bt 2)圖 4-3 PT100 電阻-溫度變化圖=100(1+3.96847 10-3*100+-5.847 10-7*100*100 )139.1最低電阻值約為RL=R0 (1+At+Bt 2+C(t-100)t3)=100( 1+3.9684710-3*-10+-5.847 10-7*-10*-10+-4.22

8、 10-1296.03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個采樣點 ,每個采樣點 平均分攤 0.392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個采樣點需要 7位二進制來表示，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

9、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 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一 個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允 許 8 路模擬量分時輸入， 共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(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，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IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALEST CLK EOC圖 4-4 ADC0809 的內(nèi)部

10、邏輯結(jié)構(gòu)圖 4-5 ADC0809 引腳圖IN0 IN7：8 條模擬量輸入通， ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 05V ，若信號太小，必須進行放大； 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，地址鎖存與譯碼器將 A、B和 C三條地址線的地址信號進行鎖存， 經(jīng) 譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 A、B 和 C 為地址輸入線，用 于選通 IN0 IN7 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000

11、IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表 4-6 通道地址表字量輸出及控制線： ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。 當(dāng) ST出現(xiàn)上跳沿時， 所有內(nèi)部寄存 器清零；下跳沿時，開始進行 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。 當(dāng) EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束； 否則，表明正在進行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(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)。 D7 D0 為數(shù)字量輸出線。CLK 為時鐘輸入信號線。 因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路

12、， 所需時鐘信號必 須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ 。VREF（）、VREF（）為參考電壓輸入。單片機我們選用 MCS-51單片機， ADC0809 引腳與單片機接口設(shè)計如下： （1）ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 MCS-51單片機直接相連。 （2）初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。（ 3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A ，B，C 端口上。（4）在 ST 端給出一個至少有 100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號來判斷。（6）當(dāng) EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機。單片機這里我們選用的是 MCS

13、-51系列的 8031單片機，圖 4-7為 ADC0809 與 單片機 0821 接口電路圖 4-7 ADC0809 與單片機 8031 接口電路4.4 多位數(shù)碼管動態(tài)顯示設(shè)計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。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應(yīng)用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方 式。本設(shè)計選動態(tài)掃描方式的六位七段 LED 顯示器。其接口電路如圖 4

14、-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)計說明本設(shè)計采用 C51 高級語言編寫，因為其提供了庫函數(shù)包含許多標(biāo)準子程序， 具有較強的數(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 身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，移植方便。5.1 各部分程序流程圖A/D 轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。主主程序流程圖：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，信號放大， 程序流程圖如圖 5-1 所示圖 5-1 主程序流程圖 溫度轉(zhuǎn)換程序流程如圖 5-2 所示，圖 5-2 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖 顯示流程圖如圖

15、5-3 所示，圖 5-3 顯示子程序六、測試及調(diào)試整個溫度檢測系統(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板， 所以電路的設(shè)計主要是測控、 信號放大、 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的兩個可調(diào)電阻，儀用放大器 的輸出都會呈線性變化， 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

16、電路連入 放大部分的時候， 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?與否。這個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)計一個顯示程序，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)碼管的顯示不會更新， 檢查電路后， 發(fā)現(xiàn)其中一個管腳焊接斷開 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，但是由于理論與實際并不能完全對應(yīng)， 測出的溫度值有很大誤差， 經(jīng)過調(diào) 試分析，將