測控電路課程設(shè)計：溫度測量控制系統(tǒng)

1、測控系統(tǒng)設(shè)計論文題目： 溫度測量控制系統(tǒng) 目 錄1.摘要31.1指導(dǎo)思想31.2基本設(shè)計內(nèi)容及要求31.3電路特點32.電路設(shè)計32.1總體設(shè)計思想32.1.1方案論證32.1.2原理框圖32.1.3硬件設(shè)計思想42.2各主要部件及電路工作原理42.2.1單片機(jī)電路42.2.1.1時鐘顯示42.2.1.2復(fù)位電路52.2.1.3程序流程圖62.2.1.4鍵盤流程圖72.2.2溫度信號的獲取與放大72.2.2.1PT100溫度傳感器72.2.2.2信號放大電路92.2.2.3溫度值計算過程92.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路92.2.4按鍵電路112.2.5顯示電路122.2.6電熱杯控制電路143.數(shù)

2、據(jù)的處理144.小結(jié)155.設(shè)計體會及今后的改進(jìn)意見155.1體會155.2改進(jìn)意見15參考文獻(xiàn)16附錄：元器件清單171摘要溫度的測量是生產(chǎn)生活中時常需要的工作，進(jìn)入21世紀(jì)后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。Abstract:Temperature measurement is the production of life often need to work, in the 21st century, the temperature sensor is headed in high prec

3、ision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safety, development virtual sensor and network sensor, research monolithic temperature measuring system and other high-tech direction develop rapidly.關(guān)鍵詞：High precision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safet

4、y1.1指導(dǎo)思想本課題以PT100熱電阻為溫度檢測元件，設(shè)計了一個對單點溫度實時檢測的單片機(jī)溫度檢測系統(tǒng)。1.2基本設(shè)計內(nèi)容及要求使用PT100溫度傳感器（電阻值隨溫度變化），設(shè)計傳感器放大電路，將傳感器的電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)?5V電壓信號，將溫度值顯示出來。再設(shè)計控制電路，控制一個300W電熱杯溫度，使其能夠穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。1.3電路特點設(shè)計以測量顯示部分電路為主，以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，對單點的溫度進(jìn)行實時測量檢測。并采用熱電阻PT100作為溫度傳感器、op07作為信號放大器、ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，

5、具有更高的性價比。2電路設(shè)計2.1總體設(shè)計思想2.1.1方案論證 方案1：采用單片機(jī)測量并控制溫度，測量電路采用電橋電路。此方案硬件電路簡單，但是需設(shè)計復(fù)雜的軟件電路。 方案2：采用模擬電路測量并控制溫度，測量電路采用電橋電路。此方案電路復(fù)雜，但是不需要軟件電路的支持。 采用方案1，此方案硬件電路簡單，易于構(gòu)成。雖然軟件復(fù)雜，單片機(jī)程序易于獲取，且可以用軟件校正溫度的測量，使測量結(jié)果更加精確。2.1.2原理框圖 按鍵顯示電路控制電路測量電路2.1.3硬件設(shè)計思想電路中單片機(jī)采用的是89C51，是我們書中常用的單片機(jī)型號。在溫度信號的獲取與放大電路中，以PT100為溫度傳感器獲取溫度信號，以放大

6、器op07為信號放大器件。電熱杯控制電路中，由于電熱杯是使用220v的強(qiáng)電，故需要與單片機(jī)電路隔離，采用的是繼電器控制電熱杯。用7409驅(qū)動繼電器，二極管作為繼電器的保護(hù)電路。顯示電路中由于需要顯示帶小數(shù)點的4位數(shù)字，采用的是4個Bcd7段帶小數(shù)點的共陰數(shù)碼管顯示測量值，用8255擴(kuò)展單片機(jī)的輸出端口。鍵盤電路中采用的是三個獨立式按鍵修改溫度的恒定值,按鍵分別是加、減、功能鍵。按下功能鍵便可修改溫度值，按功能鍵不同次數(shù)可以選擇加減的幅值，再次按功能鍵確定。A/D轉(zhuǎn)換的好與壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的精確度。由于本系統(tǒng)測量的是溫度信號，響應(yīng)時間長，滯后大，不要求快速轉(zhuǎn)換，因此選用8位串型A/D轉(zhuǎn)換器A

7、DC0809便能能達(dá)到設(shè)計的基本要求。為進(jìn)一步提高精度，可以直接采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，也可以采用過采樣和求均值技術(shù)來提高測量分辨率。因為8位ADC0809其性價比更高，更重要的是我在課本上學(xué)的就是ADC0809，對它更加熟悉，所以本次設(shè)計我選用了ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2.2各主要電路及部件工作原理2.2.1單片機(jī)電路單片機(jī)采用89C51。AT89系列單片機(jī)對于一般用戶來說，有下列明顯的優(yōu)點：內(nèi)部含有Flash存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。與MCS-51系列單片機(jī)引腳兼容，可以直接進(jìn)行代換。AT89系列并不對80C31的簡單繼承，功能進(jìn)一步增強(qiáng)，

8、在我國這種單片機(jī)受到廣泛青睞。2.2.1.1時鐘顯示單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方式有兩種。 內(nèi)部時鐘方式。 外部時鐘方式。 圖1 單片機(jī)的2種時鐘方式2.2.1.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。單片機(jī)工作后，只要在它的RST引線上加載高電平，單片機(jī)就能夠有效地復(fù)位。單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。 圖2 單片機(jī)的2種復(fù)位電路單片機(jī)仿真引腳圖： 圖3 單片機(jī)電路2.2.1.3程序流程圖程序主要由主程序和子程序兩部分構(gòu)成。 主程

9、序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，鍵值處理，A/D轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。程序框圖如下：圖4 程序流程圖2.2.1.4鍵盤流程圖鍵盤框圖如圖5.2.2.2溫度信號的獲取與放大在本電路中，以PT100為溫度傳感器獲取溫度信號，以放大器op07為信號放大器件。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器OP07的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。2.2.2.1PT100溫度傳感器PT100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下： 測量范圍：-

10、200+850； 允許偏差值： A級 ， B級 ； 響應(yīng)時間30s； 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm； 允通電流5mA。另外，PT100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點。 圖5 鍵盤流程圖鉑熱電阻的線性較好，在0100攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為： -200t0時，； 0t850時，；式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735?？梢奝T100在常溫0100攝氏度之間變化時線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡化為：，當(dāng)溫度變化1，PT100阻值近似變化0.

11、39。2.2.2.2信號放大電路對信號放大，我使用了低價格、高精度的儀器放大器OP07，它運(yùn)用方便，O是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，可以通過外接電阻方便的進(jìn)行各種增益的調(diào)整。其增益計算公式為： (1)2.2.2.3溫度值計算過程由于A/D檢測到的模擬電壓值 (2)計算可到的值，然后利用如下公式求出溫度值： (3)其中，。圖6 溫度的獲取與放大電路2.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(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。它是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，是目前國內(nèi)最廣泛的8 位通用的A

12、/D轉(zhuǎn)換的芯片。 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 圖7 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由上圖可知，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(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，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 引腳結(jié)構(gòu)如圖2-3 所示。圖8 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)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，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量送入轉(zhuǎn)換器

13、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。通道選擇表1如下：CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 表1 通道選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換電路仿真圖：圖9 A/D轉(zhuǎn)換電路2.2.4按鍵電路鍵盤電路中采用的是三個獨立式按鍵修改溫度。按鍵電路仿真圖：圖10 按鍵電路2.2.5顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡單易行。 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8為0.5英尺

14、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“”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11 LED數(shù)碼管當(dāng)LED數(shù)碼管與單片機(jī)相連時，一般將LED數(shù)碼管的各筆段引腳a、b、g、Dp按某一順序接到MCS51型單片機(jī)某一個并行I/O口D0、D1、D7，當(dāng)該I/O口輸出某一特定數(shù)據(jù)時，就能使LED數(shù)碼管顯示出某個字符。LED數(shù)碼管編碼方式有多種，按小數(shù)點計否可分為七段碼和八段碼；按共陰共陽可分為共陰字段碼和共陽字段碼，不計小數(shù)點的共陰字段碼與共陽字段碼互為反碼；按a、b、g、Dp編碼順序是高位在前，還是低位在前，又可分為順序字段碼

15、和逆序字段碼。甚至在某些特殊情況下將a、b、g、Dp順序打亂編碼。表2為共陰極和共陽極LED數(shù)碼管幾種八段編碼表。共陰順序小數(shù)點暗共陰逆序小數(shù)點暗共陽順序小數(shù)點亮共陽順序小數(shù)點暗Dp g f e d c b a16進(jìn)制a b c d e f g Dp16進(jìn)制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H3

16、0HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H表2 共陰極和共陽極LED數(shù)碼管幾種八段編碼顯示

17、電路仿真圖：圖12 顯示電路2.2.6電熱杯控制電路電熱杯控制電路采用的是繼電器控制電熱杯，用7409驅(qū)動繼電器，二極管作為繼電器的保護(hù)電路。其電路仿真圖如下：圖13 電熱杯控制電路3.數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)處理流程圖：圖14 數(shù)據(jù)處理流程圖4.小結(jié) 本方案設(shè)計完成溫度測量及控制的任務(wù)。由總體電路可知此溫度測量控制系統(tǒng)硬件電路由于單片機(jī)的使用簡單明了，每一部分功能較為單一集中，便于設(shè)計及排查問題，但軟件方面較為復(fù)雜。使用PT100作為溫度傳感器元件，可用連續(xù)采樣取平均值的方法減少誤差，使結(jié)果較為準(zhǔn)確。5.設(shè)計體會及今后的改進(jìn)意見5.1體會 溫度檢測是工業(yè)過程控制中一個重要參數(shù)，在本次課程設(shè)計中，通過對

18、測控電路、傳感器和單片機(jī)的綜合運(yùn)用，查閱大量資料，上網(wǎng)搜集信息順利完成了預(yù)期的任務(wù)。測控電路是測量與控制相結(jié)合的課程，需要用到各方面綜合的知識，這也是本學(xué)期開設(shè)這門課程的目的。在設(shè)計過程中，單純一方面的知識是無法完成設(shè)計任務(wù)的，只有多學(xué)科的綜合運(yùn)用才能順利完成各單元電路的設(shè)計，從而達(dá)到要求，這是我過去實驗或課程設(shè)計所未曾經(jīng)歷的。 本次測控電路課程設(shè)計雖未做出實物來，但同樣鍛煉了我的動手能力，特別是對于Pretel軟件的使用更加熟練，為將來的學(xué)習(xí)及工作都打下了好的基礎(chǔ)。5.2改進(jìn)意見 本設(shè)計中使用單片機(jī)測量溫度，通過繼電器控制單片機(jī)的方案，需要準(zhǔn)確的單片機(jī)程序，并且可以嘗試設(shè)計智能系統(tǒng)，控制測量溫度的數(shù)值或范圍，功能將更加完善。參考文獻(xiàn)1張國雄.測控電路 （第三版）.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.12李華.MCS-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.1993.83何道清 張禾 諶海云 .傳感器與傳感器技術(shù)（第二版）