智能溫度測(cè)量?jī)x課程設(shè)計(jì)

1、Pt100溫度傳感器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(cè)物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開一定的距離，檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，達(dá)到測(cè)溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運(yùn)用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場(chǎng)合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系

2、數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如PT100、PT1000等。近年來(lái)各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MAXIM公司的2種溫度傳感器一個(gè)為頻率輸出，一個(gè)為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比較流行的I2C總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來(lái)了極大的方便，但這類器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的范圍太窄，一般只有-55

3、+125，而且溫度的測(cè)量精度都不高，好的才±0.5,一般有±2左右，因此在高精度的場(chǎng)合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫范圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來(lái)自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過(guò)熱輻射能量來(lái)反映物體溫度的高低，這種測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度

4、快，既可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度，又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相對(duì)較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問(wèn)題，而且其輸出受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。本設(shè)計(jì)的要求是采用“PT100”熱電阻，測(cè)溫范圍是-200+600，精度0.5%，具體的型號(hào)選為WZP型鉑電阻。AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃

5、存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。LCD顯示器 液晶顯示器是一種采用了液晶控制透光度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。由于通過(guò)控制是否透光來(lái)控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無(wú)須考慮刷新率的問(wèn)題。

6、對(duì)于畫面穩(wěn)定、無(wú)閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定。LCD顯示器還通過(guò)液晶控制透光度的技術(shù)原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)介紹測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī)AT89C51，單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到LCD顯示器進(jìn)行顯示。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。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路（采樣）、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)

7、的總結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。1-1 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖 本溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)行控制溫度顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過(guò)外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。經(jīng)過(guò)多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來(lái)一些誤差，但通過(guò)調(diào)節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。通過(guò)本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度測(cè)量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)單片機(jī)能識(shí)別的電量信號(hào)，其中的信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等

8、。硬件設(shè)計(jì)PT100傳感器特性和測(cè)溫原理 電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物 質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。 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),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示： 在080范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-200范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2+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；由

9、于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)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，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。PT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-20+80，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測(cè)溫范圍：-2080攝氏度；2. 測(cè)溫精度：0.5攝氏度；3. 穩(wěn)定性：0.5攝氏度 Pt100是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等

10、模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用Pt100 測(cè)量溫度一般有兩種方法：1、設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò)Pt100 熱電阻，通過(guò)檢測(cè)Pt100 上電壓的變化來(lái)?yè)Q算出溫度；測(cè)溫原理：通過(guò)運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過(guò)Pt100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過(guò)運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號(hào)放大（圖中放大倍數(shù)為10），即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U1A的“+”端和“-”端電位V+V-4.096V；假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳1對(duì)地電壓為Vo，根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R1+（Vo

11、-V-）/RPt1000，因此電阻Pt100上的壓降VPt100Vo-V-V-*RPt100/R1，因V-和R1均不變，因此圖1虛線框內(nèi)的電路等效為一個(gè)恒流源流過(guò)一個(gè)Pt100電阻，電流大小為V- /R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： 1. 等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過(guò)1mA為準(zhǔn)，以免電流大使得Pt100電阻自身發(fā)熱造成測(cè)量溫度不準(zhǔn)確，試驗(yàn)證明，電流大于1.5mA將會(huì)有較明顯的影響。2. 運(yùn)放采用單一5V供電，如果測(cè)量的溫度波動(dòng)比較大，將運(yùn)放的供電改為±15V雙電源供電會(huì)有較大改善。3. 電阻R2、R3的電阻值取得足夠大，以增大運(yùn)放的U1

12、B的輸入阻抗。 圖1恒流源式測(cè)溫電路由于封裝問(wèn)題，實(shí)際原理圖如下： 通過(guò)了這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我深深的體會(huì)到了。理論知識(shí)不單單能在考試中使用，而且還可以在生活實(shí)際中體現(xiàn)它的價(jià)值。在這個(gè)過(guò)程中我沒(méi)有單純用一顆的知識(shí)。總結(jié)了我所學(xué)過(guò)的很多課。終于體會(huì)到了，實(shí)習(xí)對(duì)于知識(shí)總體把握的能力。 雖然系統(tǒng)的基本功能都已實(shí)現(xiàn)，但還是存在系統(tǒng)不穩(wěn)定等多個(gè)問(wèn)題尚待解決。這個(gè)系統(tǒng)主要是我自己開發(fā)的，但也得到了老師和同學(xué)的很大幫助。我正在做系統(tǒng)的過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，有的是知識(shí)存儲(chǔ)不足，有的是考慮不夠周全，之所以能夠順利實(shí)現(xiàn)基本功功能，離不開老師和同學(xué)的大力相助。事實(shí)證明，只靠自己是不能順利完成一套功能完整的系統(tǒng)的，必須充分利用團(tuán)隊(duì)的力量。開發(fā)一套系統(tǒng)，最重要的是細(xì)心，并不是一定要做到面面俱到，但也要充分考慮到客戶的需求和現(xiàn)實(shí)意義，不管什么系統(tǒng)，只用運(yùn)用到