智能溫度測量儀課程設(shè)計

1、一、系統(tǒng)功能說明一、系統(tǒng)功能說明1.11.1 主要技術(shù)指標主要技術(shù)指標1）測溫范圍：-200600 攝氏度；2）測溫精度：0.5 攝氏度；3）穩(wěn)定性：0.5 攝氏度1.21.2 PT100PT100 傳感器傳感器 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 0600范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-2000范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+

2、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；由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，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，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為 PT100。1.2.1 PT100 傳感器特性PT100 溫度傳感器的測量范圍廣：-200+600，偏差小，響應(yīng)時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計即采用 PT100 作為溫度傳感器。1.

3、2.2 PT100 傳感器測量原理Pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用 Pt100 測量溫度一般有兩種方法：方案一:設(shè)計一個恒流源通過 Pt100 熱電阻，通過檢測 Pt100 上電壓的變化來換算出溫度；測溫原理：通過運放U1A將基準電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過Pt100時在其上產(chǎn)生壓降，再通過運放U1B將該微弱壓降信號放大（圖中放大倍數(shù)為10） ，即輸出期望的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運放的兩個輸入

4、端同電位” ，運放U1A的“+”端和“-”端電位V+V-4.096V；假設(shè)運放U1A的輸出腳1對地電壓為Vo，根據(jù)虛斷概念， （0-V-）/R1+（Vo-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)的電路等效為一個恒流源流過一個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)計及調(diào)試注意點： 1. 等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過1mA為準，以免電流大使得Pt100電阻自身發(fā)熱造成測量溫度不準確，試驗證明，電流大于1.5mA將會有較明顯的影響。2. 運放采用單

5、一5V供電，如果測量的溫度波動比較大，將運放的供電改為15V雙電源供電會有較大改善。3. 電阻R2、R3的電阻值取得足夠大，以增大運放的U1B的輸入阻抗。 圖 1 恒流源式測溫電路由于封裝問題，實際原理圖如下：方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100 熱電阻，當 Pt100 電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。 測溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R1R2，VR2為100精密電阻） ，當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓

6、差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R3R4、 R5R6、放大倍數(shù)R5/R3，運放采用單一5V供電。 設(shè)計及調(diào)試注意點： 1. 同幅度調(diào)整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小； 2. 改變R5/R3的比值即可改變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計者對溫度范圍的要求 3. 放大電路必須接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作。4. VR2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點設(shè)定，例如Pt100的零點溫度為0，即0時電阻為100，當電位器阻值調(diào)至109.885時，溫度的零點就被設(shè)定在了25。測量電位器的阻

7、值時須在沒有接入電路時調(diào)節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變。5. 理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號放大倍數(shù)，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關(guān)系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1）式中電阻值以電路工作時量取的為準。 6. 電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準，因為如果直接VCC的話，當網(wǎng)壓波動造成VCC發(fā)生波動時，運放輸出的信號也會發(fā)生改變，此時再到以VCC未發(fā)生波動時建立的溫度-電阻表中去查表求值時就不正確了，這可以根據(jù)式（1）進行計算得知。 圖2三線制接法橋式測溫電

8、路1.31.3 AT89C51AT89C51 單片機單片機AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器 （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。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的 A

9、T89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。1.41.4 LCDLCD 顯示器顯示器 液晶顯示器是一種采用了液晶控制透光度技術(shù)來實現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT 顯示器相比，LCD 的優(yōu)點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。對于畫面穩(wěn)定、無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。二、系統(tǒng)總體設(shè)計二、系統(tǒng)總體設(shè)計測溫的模擬電路是把當前 PT

10、100熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值，經(jīng)過放大器放大信號后送給 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后傳給單片機 AT89C51，單片機再根據(jù)公式換算把測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 顯示器進行顯示。本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元，單片機數(shù)據(jù)處理單元，溫度顯示單元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路（采樣） 、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)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 本溫度測量系統(tǒng)設(shè)計，是采用 PT100 溫度傳感器經(jīng)過放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器送到單片機進行控制溫度顯示。另外本系統(tǒng)還

11、可以通過外接電路擴展實現(xiàn)溫度報警功能，從而更好的實現(xiàn)溫度現(xiàn)場的實時控制。三、硬件設(shè)計硬件設(shè)計3.1 放大電路的設(shè)計放大電路的設(shè)計本次放大電路我選用的是 LM358,其內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。3.2 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來自于現(xiàn)場傳感器的信號變換成前向通道中 A/D 轉(zhuǎn)換器能識別的信號，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻 PT100，因此調(diào)理電路完成的

12、是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號變換成能被 A/D 轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號。3.3 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計電路轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計電路在我們所測控的信號中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計算機對這些信號進行處理，則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D 轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計算機能接受的數(shù)字量。根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理，常用的A/D 轉(zhuǎn)換器可分為兩種，雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。1. 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理2. 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理在本設(shè)計系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的 4 通道 12 位串行輸出采樣

13、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS7841。具體連線如下圖所示：3.4 單片機控制電路單片機控制電路本設(shè)計是采用 AT89C51 單片機作為主控電路，AT89C51 單片機是 Atmel 公司的產(chǎn)品，與 Intel 公司的 MCS51 系列兼容。在 AT89C51 單片機內(nèi)部有作為程序存儲器的 Flash 存儲器，其容量為 4KB,可以承受不低于 1000 次的反復(fù)擦寫，調(diào)試比較方便。其中 P1 口為 A/D 轉(zhuǎn)換器的通信端口，P2 口為按鍵控制，P0 口為 LCD 的數(shù)據(jù)端口，具體電路圖如下：3.5 按鍵和顯示電路按鍵和顯示電路本次設(shè)計使用 4x4 矩陣鍵盤，將其行線以及列線接到單片機的 P2 口，其中列線

14、接上拉電阻然后在通過異或邏輯門在接至單片機的 P2.0 到 P2.3 口。具體連線如下圖所示：3.6 顯示電路顯示電路本次設(shè)計使用 LCD12864 來顯示溫度采集結(jié)果，其中將 LCD 的數(shù)據(jù)口接入單片機的 P0 口，具體接線如下圖所示： 四、軟件設(shè)計四、軟件設(shè)計4.1 軟件的流程圖軟件的流程圖 開始系統(tǒng)初始化PT100 溫度數(shù)據(jù)采集處理讀到的數(shù)據(jù)送 LCD 顯示結(jié)束開始初始化函數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換器進行 A/D 轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回 圖 1 系統(tǒng)總流程圖 圖 2 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖 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)用掃描按鍵程序開始將溫度數(shù)據(jù)寫入到LCD讀取溫度值顯示溫度值

15、返回 圖 3 顯示流程圖 圖 4 主函數(shù)流程圖4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計說明系統(tǒng)軟件設(shè)計說明進行微機測量控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個測量對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在微機測量控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件設(shè)計更為重要。在單片機測量控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便達到測量控制目的。軟件設(shè)計主要是對溫度進行采集、顯示,通過按鍵操作，進行時間的設(shè)置與修改。因此，整個軟件可分為溫度采集子程序、時鐘讀取程序、按鍵子程

16、序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。4.3 軟件的有關(guān)算法軟件的有關(guān)算法4.3.1 最小二乘理論獲取溫度電阻公式 根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測量值，辦法一般有 2 個，要么采用查表法，要么建立高精度的數(shù)學(xué)模型。如果用查表法，主要有 2 個問題，如果要提高測量精度，則需要建立大量的表格，而且得提前做大量得試驗來進行多點校正，還有一個問題是程序的通用性差，這臺儀器上校正好得數(shù)據(jù)可能在另一臺上不合適。而采用已知的分度表，建立數(shù)學(xué)模型，然后通過工程量（標度）變換，通過測量 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果后計算得到。這里我們考慮第 2 種方法的優(yōu)點，首先采用分段的方法，將測量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的

17、各個系數(shù)，然后計算出溫度值，這里，由于時間的關(guān)系，我們對整個測量范圍分了 3 段，分別為 049、5070、71100，利用分度表進行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時，可通過再將標度值代入可粗略估計在各個測量段內(nèi)的最大誤差值。 我們通過最小二乘法進行線性擬合，得到如下的數(shù)學(xué)模型為： T1=2.5772R-257.7708 0-49 T2=2.6366R-267.01 5070 T3=2.7206R-281.90 71100上述 3 個數(shù)學(xué)模型中，最大的理論誤差值都小于 0.5，能夠滿足精度要求，實際上如果有足夠的時間，我們完全可以分得再細一些，這樣理論的誤差將會變得更小。4.3.2

18、 標度變換公式的獲取根據(jù)上述的線性擬合結(jié)果：T=AR-B，這里的 A、B 是上述不同溫度段的系數(shù)，而 R 值由于在輸出為 0V 時，實際上有個對應(yīng)于 100 歐姆的偏置電路，因此根據(jù) R-R0=U/I，而 I=2.500V/1.500K，而 AD/U/G=4096/4.900V，這里的 AD 值為 A/D 轉(zhuǎn)換得結(jié)果 G 為放大器的增益，本設(shè)計中的二級放大器放大的倍數(shù)為 80倍。將上述條件代入得：T=A(4.9AD/4096/G/I+100)-B五、程序清單五、程序清單ADS7841 驅(qū)動程序驅(qū)動程序#include #include #include delay.h#include ads7

19、841.h#include LCD1602.h/-ADS7841 控制字節(jié)-#define control_byte 0b10011000/bit val description/bit7 1 start,恒為 1/bit6,5,4 001 選擇 CH0 為+IN/bit4 1 選擇為單端輸入/bit2 X 外部 MODE 接 GND,該位無作用,恒為 12 位/bit1,0 00 轉(zhuǎn)換期間 ADC 為掉電模式void port_init(void) PORTA = 0 xFF;/將所有端口初始化為輸入,打開上拉 DDRA = 0 x00; PORTB = 0 xFF; DDRB = 0 x0

20、0; PORTC = 0 xFF; DDRC = 0 x00; PORTD = 0 xFF; DDRD = 0 x00; PORTE = 0 xFF; DDRE = 0 x00; PORTF = 0 xFF; DDRF = 0 x00; PORTG = 0 xFF; DDRG = 0 x00;void main() unsigned int result; unsigned char i,array4,table=0123456789; port_init(); /端口初始化 LCD1602_init(); /1602 液晶初始化 ads7841_init(); /ADS7841 初始化 LC

21、D_write_string(0 x80,result:); while(1) ads7841_start(); /啟動 ADS7841,即拉低 CS delay_nus(10); result=ads7841_W_R(control_byte); /發(fā)送控制字,并得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) result&=0b0000111111111111; /屏蔽掉高四位 delay_nus(10); ads7841_finish(); /停止 ADS7841,即拉高 CS for(i=0;i4;i+) /以下均為顯示部分 arrayi=result%10;/ esult/=10; for(i=0;i4;i+

22、) LCD_write_onechar(0 x87+i,tablearray3-i); delay_nms(300);#ifndef _ads7841_h#define _ads7841_hdefine DCLK PD0#define DCLK_ddr DDRD#define DCLK_port PORTD#define DCLK_pin PIND#define CS PD1#define CS_ddr DDRD#define CS_port PORTD#define CS_pin PIND#define DIN PD2#define DIN_ddr DDRD#define DIN_port

23、PORTD#define DIN_pin PIND#define BUSY PD3#define BUSY_ddr DDRD#define BUSY_port PORTD#define BUSY_pin PIND#define DOUT PD4#define DOUT_ddr DDRD#define DOUT_port PORTD#define DOUT_pin PINDdefine ads7841_start() CS_port&=(1CS) /啟運 ADS7841#define ads7841_finish() CS_port|=(1CS) /停止 ADS7841void ads7

24、841_init(void);unsigned int ads7841_W_R(unsigned char byte);#endif#include #include #include delay.h#include ads7841.h/* * 函數(shù)名稱：ads7841_init()* * 函數(shù)功能：初始化 ADS7841 端口* * 備 注：無*/void ads7841_init(void)DCLK_port&=(1DCLK); /時鐘端初始化為輸出低電平DCLK_ddr|=(1DCLK);CS_port|=(1CS); /片選端初始化為輸出高電平CS_ddr|=(1CS); /即

25、不選中 ADS7841DIN_port&=(1DIN); /數(shù)據(jù)輸入端初始化為輸出低電平DIN_ddr|=(1DIN);BUSY_port|=(1BUSY); /忙信號初始化為輸入,打開上拉BUSY_ddr&=(1BUSY);DOUT_port|=(1DOUT); /數(shù)據(jù)輸出初始化為輸入,打開上拉DOUT_ddr&=(1DOUT);/* * 函數(shù)名稱：ads7841_W_R* * 函數(shù)功能：向 ADS7841 寫入控制字節(jié),讀出轉(zhuǎn)換好的數(shù)* * 輸入?yún)?shù)：unsigned char byte : 控制字節(jié) unsigned int result: AD 轉(zhuǎn)換好的數(shù)* * 備 注：數(shù)據(jù)從高位到低位寫入,從高位到低位讀出*/unsigned int ads7841_W_R(unsigned char byte)unsigned char i,temp;unsigned int result=0;for(i=0;i8;i+) /8 位數(shù)據(jù)計數(shù) DCLK_port&=(1DCLK); /拉低時鐘端 if(byte&0 x80) /當前位是否是 1 DIN_port|=(1DIN); /當前位