熱電阻的單片機測溫系統(tǒng)(共25頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要電子溫度計是日常生活中最普遍的電子產(chǎn)品之一，常用的轉(zhuǎn)換元件有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶等，通常我們將這些轉(zhuǎn)換元件通過非電量轉(zhuǎn)化電量的檢測方法，結(jié)合電量和溫度之間的關系，我們可以計算出其溫度值。在本課題中將介紹一種利用電阻電橋失衡輸出的電壓轉(zhuǎn)換溫度的設計。在設計中，利用AT89S系列單片機作為控制器，計算鉑電阻（PT100）電量與溫度的轉(zhuǎn)換，并在LED顯示溫度。關鍵詞：AT89S52 ADC0832AbstractElectronic thermometer is in daily life the most common one of electronic pro

2、ducts, and the common interface element have heat resistance, thermal resistance, thermocouple, etc., usually we will these interface element through the non-electricity into electricity detection methods, combined with power and the relationship between the temperature, we can calculate the tempera

3、ture value. In this topic will introduce a kind of make use of the resistance bridge unbalanced output voltage transition temperature design. In the design, the use of AT89S series microcontroller as the controller, calculation of platinum resistance (PT100) power and temperature conversion, and in

4、the LED display temperature.Keyword：AT89S52 ADC08321.引言當今，鉑電阻廣泛應用于醫(yī)療、電機、工業(yè)、溫度計算、衛(wèi)星、氣象、阻值計算等高精溫度設備，應用范圍非常之廣泛。日常生活中，溫度已經(jīng)成為人們必須知曉的一個物理量。溫度的高低密切關系著生活中的每一個角落。溫度傳感器成為常用的傳感器之一，為知曉生活中溫度的高低提供了極大的便利。 2.設計任務及要求基于熱電阻的溫度測量儀器的設計設計任務與要求：1. 理解電阻測溫的原理；2. 理解數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理以及與MCU的接口方法；3. 理解顯示器與MCU的接口方法；4. 編程實現(xiàn)溫度的測量及顯示;5. 溫度的

5、確定方法建議不采用查表法，采用傳感器的關系表達式；6 測量溫度范圍：0200。3.單臂電橋測溫原理及鉑電阻3.1直流電橋平衡原理近年來，低漂移集成運算放大器的發(fā)展，直流電橋得到了廣泛的應用。如圖3-1所示，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4電阻。初始狀態(tài)，則電橋輸出的電壓或電流為零。此時電橋處于平衡狀態(tài)。因此為電橋的條件。當其中任意一個電阻的阻值改變時，變化，其輸出電壓為圖3.1 平衡電橋 3.2鉑電阻的特性本次設計使用Pt100電阻，所以這里將只介紹Pt100電阻的特性。pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約

6、為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關系并不是簡單的正比的關系，而更應該趨近于一條拋物線。由于我們本次設計涉及到的溫度范圍：0200。故阻值和溫度之間的關系可以用下式近似表示等式中，、分別為0和t的電阻值。 ，Pt100在正常工作下其電流最大3.3由鉑電阻構(gòu)成的單臂電橋如圖3-1所示，當為鉑電阻時（鉑電阻的介紹將在第四節(jié)中介紹）。由于外界溫度的影響下，鉑電阻的阻值改變，導致平衡電橋失衡，從而輸出。因此，我們利用鉑電阻的電阻隨溫度變化而產(chǎn)生電橋輸出電壓，并利用鉑電阻的特性，從而實現(xiàn)由非電量轉(zhuǎn)換成電

7、量的測量。4方案設計和選擇4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.14.2方案設計與確定方案一：使用運算放大器做求差，直接求出并放大輸出電壓，后進入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后進入單片機進行運算。方案二：亦使用運算放大器，與方案一不同的是，方案一使用單路電壓輸入進入A/D轉(zhuǎn)換器，而方案二則采用電橋兩路的電壓，經(jīng)過調(diào)理電路，輸入A/D轉(zhuǎn)換器，由單片機進行求差處理。方案分析，兩者的原理都是利用電橋失衡后的輸出電壓進行求差運算，以此獲得鉑電阻阻值和變化電壓之間的關系。不同的是，方案一采用的是硬件求差，而方案二采用的是軟件求差。相對后者來說，前者經(jīng)過求差電路，單一的輸出電壓值，直接由單片機進行溫度變化較后者使用軟件求差的精度

8、更高。由于兩路電壓都在時刻小幅變化，對于軟件求差而言，微小的變化，導致求得的小數(shù)點后值不同，從而影響整個溫度檢測精度。本次設計，由于希望通過編程上對誤差的修正來保證溫度準確度，故采取了方案二。5電路圖、元器件介紹以及參數(shù)計算5.1測量電路5.1.1 原理圖圖5.1.1如圖5.1.1所示，使用=5V的直流電輸入，當（鉑電阻）的溫度變化時阻值隨之改變，的電勢產(chǎn)生變化，而的電勢則不變。5.1.2 元件選擇只考慮電阻的初始平衡，和Pt100的最大電流。故選取2個1K電阻和1個500電位器。故最大電流滿足Pt電阻的要求。5.2 信號調(diào)理電路5.2.1 原理圖圖5.2.1由于兩路的信號調(diào)理電路及選取電阻是

9、相同，所以只給出一路的信號調(diào)理電路。第一級運放為一個電壓跟隨器為了降低輸出阻抗，增加電壓穩(wěn)定性。第二級運放為一個正向電壓放大器，由于輸出電壓較小，為了使A/D轉(zhuǎn)換器正常工作，故需要放大后進A/D5.2.2 高精度運算放大器OP07介紹Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特 圖5.2.2點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07

10、特別適用于高增益的測量設備和放 大傳感器的微弱信號等方面。5.2.3 元件選擇及參數(shù)設置通過運算，可知電橋的輸出電壓和僅為0.45V（理想狀態(tài)電橋平衡下）。由于熱電阻1的變化導致1一下的電阻變化，如此電壓的變化量也不會太大，這樣會增加我們對測量的難度和不準確度。為此，為了解決微小信號變化的輸出，采取了使用OP07運放的正向放大電路，放大電壓，增益如下由于設計選擇的ADC0832最大輸入電壓為5V，故在第二級運放后的輸出電壓必須小于5V。選擇=12K，=24K，故可得=3，最大輸出電壓。5.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5.3.1 原理圖圖5.3.15.3.2 ADC0832選用及芯片介紹由于ADC0832的連

11、接和使用的簡易，故為了降低電路的復雜度，采用了ADC0832作為本次設計模數(shù)部分。ADC0832 是生產(chǎn)的一種8 、A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。芯片接口說明：CS_ 使能，低電平芯片使能。CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND 芯片參考0 電位（地）。DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換。 圖5.3.2 ADC0832封裝CLK 芯片時鐘輸入。Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。 5.4 單片機及外圍電路5

12、.4.1 原理圖圖5.4.1 單片機及外圍電路5.4.2 AT89S51資料及選用現(xiàn)在市面上的單片機種類繁多，由于本次電路不需要負責的運算能力與速度，故選用最普遍的AT系列單片機。AT89S51是一個低功耗，高性能 8位，片內(nèi)含4k Bytes (In-system progmable)的可反復擦寫1000次的只讀，器件采用的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51及80C51結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi) 圖5.4.2 集成了通用8位和ISP Flash，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。 5.4.3 AT89S51引腳功能VCC：電源電壓輸入端。GND：。P

13、0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，使用P0外部必須被拉高。P1-P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口。RST：復位輸入端ALE/PROG：允許/脈沖信號端PSEN：外部的選通信號，低電平有效。EA/VPP：外部訪問允許。XTAL1：片內(nèi)反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)反相放大器的輸出端。 圖5.4.35.5 顯示電路5.5.1 原理圖圖 5.5.1 顯示電路原理圖顯示電路由四位共陰數(shù)碼管和1片74HC573鎖存器組成，并由P3口進行位選，P1口進行段碼輸出。74HC573芯片的作用是增大數(shù)碼管的驅(qū)動電流。6 軟件設計 圖 6.1.1 總流程圖6.1 A

14、DC的啟動與輸入本次設計使用的是ADC0832的兩個輸入通道，所以需要在接收輸入前，首先選擇通道。如圖5.3.1所示，ADC0832的DI口和DO口連在一起并一起連入單片的P2.0口，這是因為通信時，DI和DO并不是同時有效的，而單片機接口則是雙向的。表中可得知，當對DI端口輸入第一個1時表示將通道屬性選擇為單極性；當輸入第二個值是，0表示0通道，1表示1通道。表1在設計軟件的時候，首先需要將片選設為低電平，此時開始ADC0832工作；第二步選擇通道，再輸入選通道輸入碼之前需要輸入1位1作為起始位，隨后輸入相應選通碼。值得注意的是選擇0通道后，需將DO口置1，否則輸出口呈高阻態(tài)將無法正確輸出信

15、號。輸入信號時，ADC0832采取的是一位位輸出方式，故單片機需要一位位的接收。6.2軟件修正誤差由于輸入ADC的電壓時刻在變化，故每一時刻的電壓差值都不相同，由于軟件求差的緣故，可能會導致較大變化的跳動。為此通過軟件的計算來盡可能彌補兩路求差帶來的誤差。設計中將采用一個定時器，在一段時間內(nèi)的反復采集，求其平均值，來盡量減小系統(tǒng)誤差。7整體組裝及調(diào)試7.1仿真為確保做出來的設計沒有大的問題，設計之前先進行仿真設計，仿真軟件使用的是proteus。由于該軟件沒有誤差的影響，所以仿真階段只是確保了大體上的正確。圖7.1.17.2硬件組合及相關數(shù)本次設計使用兩個模塊，將顯示電路單獨置于另一塊版。目的

16、是便于調(diào)試和檢查。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道0輸入電壓和溫度的關系工業(yè)溫度計測定的室溫T/ADC0832 CH0輸入電壓U/V22.281.4979V32.011.5477V32.801.5490V由上述數(shù)據(jù)，可以得到以下關系可以看到T和U成近似的線性關系，由此可以推論出測量電路無問題。7.3誤差分析誤差主要來源：1. 電阻、運放相關參數(shù)與理論值有差別2. 由于熱電阻溫度不為0，故熱電阻阻值不可能為100度，電橋不能平衡。3. 轉(zhuǎn)換輸入電壓變化跳動微小，可能造成較大的誤差。4. 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時候，取的有效位數(shù)不同造成計算后的溫度不準確7.4調(diào)試硬件調(diào)試的主要方法，檢測數(shù)碼管是否選通并點亮。檢測各級運放的輸入

17、輸出電壓，并與理論值作比較。軟件調(diào)試的方法，選通數(shù)碼管并點亮，觀察顯示與程序結(jié)果是否一致。8總結(jié)體會本次設計之初，選用的運放求差電路，通過硬件求差后進模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并通過單片機進行溫度的計算。在后續(xù)的思路中，考慮到ADC0832可以有兩路輸出，因此想到了通過用編程獲取電橋失衡輸出電壓，并通過軟件進行誤差修正。前期準備中，在有基本思想和大體框架下，自主查詢了各種數(shù)據(jù)手冊，了解了其主要的參數(shù)與性能，并考慮實際電路選擇器件。通過Proteus軟件仿真后，也出現(xiàn)了很多的計劃之外的問題，例如經(jīng)過運放后的電壓過大大于5V，如此一來就在ADC0832最大輸入電壓之外了。為此解決方案是減小放大倍數(shù)或在模數(shù)轉(zhuǎn)換器

18、前加入一個5V的穩(wěn)壓管。仿真軟件只能實現(xiàn)一個功能性的仿真，而在設計時候需要考慮周到。例如電壓跟隨器，減小了電橋電壓的輸出阻抗，穩(wěn)定了進入放大電路的電壓值。制作出PCB板之后，由于位選通未加大驅(qū)動電流，故顯示失敗。重新制作的顯示電路中，加上了一片74HC573芯片，增大了IO口的輸出驅(qū)動電流，以此點亮數(shù)碼管。實體電路完成之后就進行電橋調(diào)零，將一片100的電阻替代熱電阻的位置，測試兩路輸出電壓是否為零，并通過電位器調(diào)零。在測試后，保證硬件電路無錯的前提下，進行軟件的編寫。起初編寫的軟件，顯示電路部分1秒內(nèi)閃爍次數(shù)過多，并且其他位有節(jié)奏閃爍。前者的原因是采集頻率過快，為此啟動了一個定時器，定時溢出后

19、中斷內(nèi)執(zhí)行采集和求差程序部分；后者的原因是選通后的延時時間過長，故降低延時時間即可。該設計的重點與難點在于軟件求差和誤差修正上。對于誤差修正，采用的方法是多次測量，按大小排序后剔除兩邊數(shù)據(jù)，求得的均值為其輸入電壓。但由于時間關系未能成功實現(xiàn)，導致數(shù)碼管的溫度顯示幅度跳動厲害，誤差較大。本次課程設計獨立的完成對于整體電路設計的流程有一個熟悉的了解，對于以后的設計積累了經(jīng)驗。設計電路需知曉其理，考慮實際情況進行分析。感謝王老師在本次設計中提供的建議和意見。附錄：參考資料：賈伯年： 傳感器技術 東南大學出版社康華光： 電子技術基礎 高等教育出版社。王選民： 智能儀器原理及設計 清華大學出版社整體原理

20、圖圖 電路1元器件清單：表 1PCB板圖：圖 pcb-1圖 pcb-2程序#include<reg52.h>#include<math.h>#define output P1sbit AD_DIDO=P20;sbit AD_CS=P21;sbit AD_CLK=P22;sbit led_1=P30;sbit led_2=P31;sbit led_3=P32;sbit led_4=P33;unsigned char code DuanMa= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0

21、x5e,0x79,0x71;/ 顯示段碼值09unsigned char res_R6;void startAD(int channel);unsigned char ADresult(int channel);void ResPr(double result);signed char num;unsigned char compare(unsigned char *a ) ;unsigned char ge,shi,bai,xiaoshu;unsigned char res0,res1,diff;void display();void Delay(unsigned int r);void c

22、al(unsigned char dif);void Init_Timer0( );/void Timer0_isr( ) interrupt 1 ;void main()Init_Timer0();while(1) display();void startAD(int channel)if(channel=1)AD_CS=0;/Delay(1);AD_DIDO=1;/Delay(1); AD_CLK=0;/Delay(1);/第1個上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=1;/選擇通道1轉(zhuǎn)換AD_CLK=0;/Delay(1);/第2個上降沿AD_CLK=1;/Delay

23、(1);AD_DIDO=1;AD_CLK=0;/Delay(1);/第3個上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_CLK=0;/Delay(1);/第3個下降沿elseAD_CS=0;/Delay(1);AD_DIDO=1; AD_CLK=0;/Delay(1);/第1個上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=1;/選擇通道1轉(zhuǎn)換AD_CLK=0;/Delay(1);/第2個上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=0;AD_CLK=0;/Delay(1);/第3個上降沿AD_CLK=1;/Delay(1);AD_DIDO=1;AD_CLK=0;

24、/Delay(1);/第3個下降沿unsigned char ADresult(int channel)unsigned char i;unsigned char val;startAD(channel);for(i=0;i<8;i+)val=val<<1;AD_CLK=1;AD_CLK=0;if(AD_DIDO)val=val|0x01;AD_CS=1;return val;void cal(unsigned char dif)double aa,bb,rt,wendu,xiao1,xiao2,rr1,gen;float z;z=(float)dif/51;aa=3.968

25、47e-3;bb=-5.847e-7;xiao1=0.;xiao2=0.;rt=(1000*(xiao1+z/15)/(xiao2-z/15);rr1=1-0.01*rt;gen=sqrt(aa*aa-4*bb*rr1);wendu=(-aa+gen)/(2*bb);ResPr(wendu);void ResPr(double result)int num=result*10;bai=num/1000;shi=(num%1000)/100;ge=(int)(num%1000)%100)/10;xiaoshu=(int)(num%1000)%100)%10;void display() led_1=1;led_2=1;led_3=1;led_4=1; output=DuanMabai; /取顯示數(shù)據(jù)，段碼 led_1=0; Delay(5); / 掃描間隙延時，時間太長會閃爍，太短會造成重影 led_1=1; outp