基于Pt100熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、 PAGE40 / NUMPAGES40基于PT100熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量儀摘 要： 本文首先簡(jiǎn)要介紹了鉑電阻PT100的特性以與測(cè)溫的方法，在此基礎(chǔ)上闡述了基于PT100的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，是以鉑電阻PT100作為溫度傳感器，采用恒流測(cè)溫的方法，通過單片機(jī)進(jìn)行控制，用放大器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號(hào)的采集。通過對(duì)電路的設(shè)計(jì)，減小了測(cè)量電路與PT100自身的誤差，使溫控精度在0100圍達(dá)到0.1。本文采用STC89C52RC單片機(jī)，TLC2543 A/D轉(zhuǎn)換器，AD620放大器，鉑電阻PT100與液晶系統(tǒng)，編寫了相應(yīng)的軟件程序,使其實(shí)現(xiàn)溫度與溫度曲線的實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：使用

2、簡(jiǎn)便；測(cè)量精確、穩(wěn)定、可靠；測(cè)量圍大；使用對(duì)象廣。關(guān)鍵詞：PT100 單片機(jī) 溫度測(cè)量 AD620 TL431AbstractThis article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method, on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100. In this design, it is use a PT100

3、platinum resistance as temperature sensor, in order to acquisition the temperature signal, it use of constant-current temperature measurement method and use single-chip control, Amplifier, A / D converter. It can still improve the perform used two-wire temperature circuit and reduce the measurement

4、eror. The temperature precision is reached 0.1 between 0100. The system contains SCM(STC89C52), analog to digital convert department (TLC2543), AD620 amplifier, PT100 platinum, LCD12864, write the corresponding software program to achieve real-time temperature display. The system is simple , accurat

5、e , stable and wide range. Keywords: PT100 MCU Temperature Measures AD620 TL431目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc370244733前言 PAGEREF _Toc370244733 h 4HYPERLINK l _Toc370244734第一章方案設(shè)計(jì)與論證 PAGEREF _Toc370244734 h 6HYPERLINK l _Toc3702447351.1 傳感器的選擇 PAGEREF _Toc370244735 h 6HYPERLINK l _Toc3702447371.2

6、方案論證 PAGEREF _Toc370244737 h 7HYPERLINK l _Toc3702447381.3 系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc370244738 h 8HYPERLINK l _Toc3702447391.4 系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc370244739 h 9HYPERLINK l _Toc370244740第二章硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370244740 h 9HYPERLINK l _Toc3702447412.1 PT100傳感器特性和測(cè)溫原理 PAGEREF _Toc370244741 h 9HYPERLINK l _Toc37024

7、47422.2 硬件框圖以與簡(jiǎn)要原理概述 PAGEREF _Toc370244742 h 11HYPERLINK l _Toc3702447432.3 恒流源模塊測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc370244743 h 11HYPERLINK l _Toc3702447442.4 信號(hào)放大模塊 PAGEREF _Toc370244744 h 12HYPERLINK l _Toc3702447452.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊 PAGEREF _Toc370244745 h 15HYPERLINK l _Toc3702447462.6 單片機(jī)控制電路 PAGEREF _Toc370244746

8、h 18HYPERLINK l _Toc3702447472.7 顯示模塊 PAGEREF _Toc370244747 h 19HYPERLINK l _Toc370244748第三章軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370244748 h 19HYPERLINK l _Toc3702447493.1系統(tǒng)總流程的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370244749 h 19HYPERLINK l _Toc3702447503.2 主函數(shù)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370244750 h 20HYPERLINK l _Toc3702447513.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc

9、370244751 h 21HYPERLINK l _Toc3702447523.4 顯示流程圖 PAGEREF _Toc370244752 h 21HYPERLINK l _Toc3702447533.5 按鍵流程的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370244753 h 22HYPERLINK l _Toc370244754第四章數(shù)據(jù)處理與性能分析 PAGEREF _Toc370244754 h 23HYPERLINK l _Toc3702447554.1采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc370244755 h 23HYPERLINK l _Toc3702447564.2 性能測(cè)試

10、分析 PAGEREF _Toc370244756 h 23HYPERLINK l _Toc370244757第五章結(jié)論與心得 PAGEREF _Toc370244757 h 24HYPERLINK l _Toc3702447581 結(jié)論 PAGEREF _Toc370244758 h 24HYPERLINK l _Toc3702447592 心得 PAGEREF _Toc370244759 h 24HYPERLINK l _Toc370244760附錄1 原理圖 PAGEREF _Toc370244760 h 25HYPERLINK l _Toc370244761附錄2 元器件清單 PAGER

11、EF _Toc370244761 h 26HYPERLINK l _Toc370244762附錄3 程序清單 PAGEREF _Toc370244762 h 27前 言 隨著科技的發(fā)展和“信息時(shí)代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)其要求越來越高，需求越來越迫切。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與特性是非常重要的。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理與其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理

12、和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信與信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器與傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以與其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。 為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以與其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度測(cè)量系統(tǒng)。文中將傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱

13、電阻作為溫度傳感器來測(cè)量實(shí)時(shí)的溫度，以與實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過程。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。本課題主要任務(wù)成環(huán)境溫度檢測(cè)并顯示溫度和實(shí)時(shí)的時(shí)間。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號(hào)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度、顯示模塊六個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度測(cè)量與顯示，完成了課題所有要求。第一章 方案設(shè)計(jì)與論證1.1 傳感器的選擇本設(shè)計(jì)目的是式設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)。首先要考慮的就是溫度傳感器的選擇。溫度傳感器從

14、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，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定

15、、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來各半導(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了極大的方便，但這類器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的圍太窄，一般只有-55+125，而且溫度的測(cè)量精度都不高

16、，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)溫圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以與使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過熱輻射能量來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)溫圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，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

17、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。由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的圍為0100，測(cè)量的分辨率為0.1，綜合價(jià)格以與后續(xù)的電路，決定采用線性度相對(duì)較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號(hào)為WZP型鉑電阻，該傳感器的測(cè)溫圍從200650。具體在0100的分度特性表見附錄A所示。1.2 方案論證 溫度測(cè)量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以與新興的智能型傳感器。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且

18、價(jià)格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。 方案二：采用溫度傳感器 通過溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過液晶顯示溫度。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量圍為-200650，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測(cè)量精確度是最高的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。該方案采用熱電阻PT100做為溫度傳感器、AD620作為信號(hào)放大器，TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換部件，對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大圍、高精度的特點(diǎn)。相對(duì)與方案一，在功能、性能

19、、可操作性等方面都有較大的提升。在這里我選用方案二完成本次設(shè)計(jì)。1.3 系統(tǒng)的工作原理測(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)STC89C52RC，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)送出到液晶進(jìn)行顯示。1.4 系統(tǒng)框圖本設(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，時(shí)間、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)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。信號(hào)放大調(diào)理電路PT100溫度

20、傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路復(fù)位電路按鍵控制電路STC89C52RC單片機(jī)液晶顯示電路 圖1-1 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖第二章 硬件設(shè)計(jì)2.1 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0650圍：Rt =R0 (1+At+Bt2) （公式1）在-2000圍：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) （公式2）式中A、B、C 為常數(shù)，A

21、=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(cè)量較小圍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)量圍廣：-200+650，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)溫圍：-200650攝氏度；2. 測(cè)溫精度：0.1攝氏度；3. 穩(wěn)定性：0.1攝氏度Pt100 是電阻

22、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案：方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過Pt100 熱電阻，通過檢測(cè)Pt100 上電壓的變化來換算出溫度。方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100 熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。2.2 硬件框圖以與簡(jiǎn)要原理概述本電路通過電源模塊給溫度感應(yīng)模塊提供一個(gè)穩(wěn)定的電源使其正常工作。再將溫度感

23、應(yīng)模塊產(chǎn)生的信號(hào)通過信號(hào)放大模塊就行放大，最后將放大的信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換。 圖2-1 硬件框圖2.3 恒流源模塊測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)方案本電路是基于熱敏電阻Pt100 的溫度檢測(cè)電路，Pt100 的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化，故電源模塊可設(shè)計(jì)一個(gè)橫流源電路使得通過Pt100 的電流恒定不變，這時(shí)當(dāng)溫度變化時(shí)Pt100 的阻值發(fā)生變化，電壓也就能發(fā)生相應(yīng)的線性變化。只要通過對(duì)Pt100兩端的電壓進(jìn)行處理就能測(cè)得外界環(huán)境的溫度。 圖2-2 恒流源電路與信號(hào)放大電路本電路中恒流源電路是基于TL431 穩(wěn)壓集成電路設(shè)計(jì)的高精度恒流源，電路圖如圖2-2所示。當(dāng)TL431 兩端接上電壓后其參考極將輸出穩(wěn)定的2.5

24、V 的電壓，但是TL431的陰極和陽極不能直接接在電壓上所以需要串上一個(gè)電阻進(jìn)行分壓，本電路中使其串上1500的電阻。當(dāng)TL431 的參考極和地端之間接上一個(gè)電阻時(shí)該之路的電流就是一個(gè)恒定的電流，這時(shí)再如圖中所示接上一個(gè)處于放大區(qū)的三級(jí)管使其發(fā)射極和集極的電流近乎相等，這時(shí)通過連接在集極的Pt100 熱敏電阻的電流就是恒定值。由于通過Pt100 的電流需要在11.5mA ，以與為了計(jì)算的方便，在本電路中理想情況下我們要使通過Pt100 的電流約為1mA。2.4 信號(hào)放大模塊2.4.1 Pt100的特性由于熱敏電阻Pt100 的電阻對(duì)溫度的改變量比較小只有幾十歐姆的變化（Pt100 分度表如表一

25、所示），所以其兩端的電壓差相對(duì)來說是一個(gè)很小的值，所以需要對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大。表2-1一Pt100 分度表2.4.2 放大器AD620放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度也十分關(guān)鍵，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，如下圖2-3所示，三運(yùn)放中由A1、A2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大器，后級(jí)為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件R1與R2、R3與R4、R5與R6，還包括A1與A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)

26、高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來解決剛才的參數(shù)匹配問題已不是什么復(fù)雜的問題。圖2-3 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖隨著近年來微電子技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了不少專用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了AD620作為放大器電路的首級(jí)放大。AD620是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置11000倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器

27、的應(yīng)用系統(tǒng)（如ECG檢測(cè)和血壓監(jiān)視）、多路轉(zhuǎn)換器與干電池供電的前置放大器使用。AD620的部結(jié)構(gòu)是由OP-07組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，性能大大優(yōu)于自制的三運(yùn)放IC電路設(shè)計(jì)，其基本接法是在1腳與8腳之間外接一RG電阻，增益由式G=1+49.4K/RG確定，由于它的外圍電路十分簡(jiǎn)單，所以它在本系統(tǒng)中的應(yīng)用見下圖2-4所示。由于我們的溫度測(cè)量圍是0100，而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為100歐姆138.51歐姆，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的恒流源為5/3毫安，因此AD620的輸入端為166.7毫伏，假設(shè)考慮我們的TLC2543的最大輸入為5.000V，我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下，則為20倍，

28、假設(shè)我們只用一個(gè)AD620，則AD620的輸出為2V5V(TLC只能轉(zhuǎn)換5V)，這樣12位的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率則大于題目的要求0.1，因此，我們必須將100歐姆以下的值通過偏置的方法將其減掉，然后通過增加放大倍數(shù)來盡量提高分辨率，這里我們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見下圖5所示。這里設(shè)計(jì)的首級(jí)放大器的倍數(shù)是20倍，而后級(jí)放大則為4倍，合計(jì)的放大倍數(shù)為80倍，這樣就完全滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。圖2-4 放大電路2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊2.5.1 TLC2543簡(jiǎn)介在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用儀器公司生產(chǎn)的12位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的

29、3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡(jiǎn)單，三個(gè)控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/OCLOCK)以與串行數(shù)據(jù)輸入端(DATAINPUT)。片的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高。2.5.2 TLC2543的主要特性 (1) 11個(gè)模擬輸入通道； (2) 66ksps的采樣速率； (3) 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s； (4) SPI串行接口； (5) 線性度誤差最大為1LSB； (6) 低供電電流(1mA典型值)； (7) 掉電模式電流為

30、4A。2.5.3TLC2543引腳簡(jiǎn)介 TLC2543的引腳排列如圖2-5所示。圖2-5 TLC2543的引腳AIN0AIN10：模擬輸入端，由部多路器選擇。對(duì)4.1MHz的I/OCLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50。CS：片選端，CS由高到低變化將復(fù)位部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATAOUT、DATAINPUT和I/OCLOCK。CS由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間禁止DATAINPUT和I/OCLOCK。DATAINPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/OCLOCK的前4個(gè)上升沿移入4位地址，用來選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓，之后I/OCLOCK將余下的幾位依次輸

31、入。DATAOUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在CS為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。VCC、GND：電源正端、地。REF、REF：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常REF接VCC，REF接GND。最大輸入電壓圍取決于兩端電壓差。I/OCLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時(shí)序。根據(jù)TLC2543時(shí)序圖可以看出，在TLC2543的CS變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/

32、OCLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時(shí)，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT為高阻態(tài)。TLC2543與單片機(jī)的連接如圖所示。A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A1012R-13R+14/CS15DO16DI17CLOK18EOC19VCC20TLC2543VCC5VCLOKD1D0/CSA0圖2-6 TLC2543與單片機(jī)連接圖2.6 單片機(jī)控制電路本設(shè)計(jì)是采用STC89C52RC單片機(jī)作為主控電路，其中P

33、1口為A/D轉(zhuǎn)換器，P2.0,P2.1,P2.2為按鍵控制，P0為液晶數(shù)據(jù)端口，P2為液晶控制端口，用于對(duì)液晶進(jìn)行控制。如圖8所示。圖2- 7 STC89C52RC單片機(jī)控制電路2.7 顯示模塊本設(shè)計(jì)采用液晶12864來顯示溫度與溫度曲線。其連線圖如下： 圖2-8 液晶顯示第三章 軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總流程的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后PT100進(jìn)行溫度采集，然后經(jīng)過放大，A/D采集后由單片機(jī)處理讀到的數(shù)據(jù)，然后通過液晶顯示溫度與溫度曲線。流程圖如下：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)顯示溫度與溫度曲線結(jié)束圖3-1系統(tǒng)總流程圖3.2 主函數(shù)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化，調(diào)用溫度子程序，調(diào)用

34、顯示子程序，調(diào)用掃描按鍵程序，然后循環(huán)。流程圖如下：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 圖3-2主函數(shù)流程圖3.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖的設(shè)計(jì) 溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)先行初始化，A/D轉(zhuǎn)換開始工作，單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換成溫度。流程圖如下：開始初始化函數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回圖3-3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.4 顯示流程圖主函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入12864，讀取溫度值。并顯示溫度與溫度曲線。流程圖如下：開始將溫度數(shù)據(jù)寫入12864液晶 讀取溫度值 顯示溫度值與溫度曲線返回圖3-4 顯示流程圖 3.5 按鍵流程的設(shè)計(jì) 圖3-5 按鍵流程圖第四章 數(shù)據(jù)處理與性能分析4.

35、1采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理表4-1采集的數(shù)據(jù)溫度35.13942.145.1495569748093電壓V3.443.463.513.543.593.673.833.863.964.09通過最小二乘法擬合的直線： Y=X* 86.548 - 261.613 （公式3）4.2 性能測(cè)試分析做實(shí)際的電路板時(shí)為了調(diào)零的需要先將Pt100 用100的電阻來代替，模擬出一個(gè)外界溫度為0的環(huán)境，以便于通過對(duì)電位器的調(diào)節(jié)使其輸出電壓為0V。先檢查電路各個(gè)模塊是否能正常工作，如T431 的參考極的電壓是否為2.5V，代替Pt100 的100電阻兩端的電壓是否是0.1V，通過對(duì)信號(hào)放大模塊中的電位器的調(diào)節(jié)是否能正常

36、影響信號(hào)放大模塊和運(yùn)放加減模塊的輸出電壓。將電路板調(diào)試正常后，調(diào)節(jié)電位器使電路最終輸出端的電壓降到0V，但是在實(shí)際調(diào)節(jié)中輸出電壓調(diào)節(jié)到0.6V 時(shí)就沒有辦法繼續(xù)下調(diào)了，由于輸出電壓是隨電位器的電壓上升而下降的，故可能是和電位器串聯(lián)的電阻R8 設(shè)置得太小了。將100電阻拆下?lián)Q上Pt100 熱敏電阻進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,測(cè)得電壓為2.1V，測(cè)得的溫度為21，而這時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)的溫度傳感器測(cè)得的溫度也為21，在用Pt100 測(cè)體溫，測(cè)得3.6V，為36，誤差很小，電路設(shè)計(jì)成功。故前面的0.6V 的誤差可能是其他原因照成的，但是由于沒有嘗試其他標(biāo)準(zhǔn)溫度的測(cè)量還不能對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)一步分析。第五章 結(jié)論與心得1 結(jié)

37、論根據(jù)電路板的測(cè)試結(jié)果表明電路工作正常，能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能，達(dá)到指標(biāo)要求，但是對(duì)低溫的測(cè)量可能存在著較大的誤差。2 心得通過這次的課程設(shè)計(jì)我掌握了一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)過程和調(diào)試方法。在設(shè)計(jì)一個(gè)電路時(shí)可以先查閱相關(guān)資料，然后先確定電路中各個(gè)模塊要實(shí)現(xiàn)的功能以與基本指標(biāo)，再確定對(duì)各個(gè)模塊中的器件的型號(hào)和常數(shù)，最后將各個(gè)模塊聯(lián)系起來再進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整。將設(shè)計(jì)好的電路放到仿真軟件上進(jìn)行仿真，觀察電路以與各個(gè)模塊能否按設(shè)定的狀態(tài)工作，最終結(jié)果是否正確，將實(shí)際電路做出來后要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)可先測(cè)試最終的輸出能否達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，電路不能正常工作是要對(duì)電路的各個(gè)模塊進(jìn)行檢查，可以和軟件仿真調(diào)試時(shí)一樣檢查各個(gè)模塊是否正常

38、工作，找到工作不正常的模塊后，對(duì)該模塊的各個(gè)性能指標(biāo)以與各點(diǎn)輸入輸出是否正確，然后分析可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因后再進(jìn)行進(jìn)一步的排查和調(diào)試。然后不斷的重復(fù)以上對(duì)實(shí)際電路的調(diào)試過程，直到電路全部正常工作。在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可先檢測(cè)電源模塊是否正常工作，因?yàn)楹芏噱e(cuò)誤都是電源部分出問題導(dǎo)致或可以影響并反映在電壓部分上，如在這次的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)同學(xué)的電路出現(xiàn)問題都是電源的問題，要么是TL431 燒壞了，要么是芯片燒壞了影響到了TL431 的參考極的電壓，導(dǎo)致電源部分異常。本電路可以檢測(cè)TL431 參考極的電壓是否正確，發(fā)現(xiàn)不正確可先將芯片（尤其是做隔離網(wǎng)絡(luò)模塊的芯片）取出后檢測(cè)參考極的電壓是否正常，

39、如果發(fā)現(xiàn)正常，說明很可能是芯片燒壞了，如果發(fā)現(xiàn)電壓還是不正確，那很可能是TL431 燒壞了，更換器件后再次檢查電源部分是否正確，如果發(fā)現(xiàn)不正確再排查其他可能性。附錄1 原理圖附錄2 元器件清單名稱數(shù)量TL4311OP072AD6201TLC25431STC89C52RC1LCD128641510210K11K16.8K120K110K電位器110uF1導(dǎo)線 焊錫絲 杜邦線若干附錄3 程序清單typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;#include#includetlc2543.h#includekey.h#includelcd

40、_12864.h#includedelay.huchar code dis_buf1 = ;uchar code dis_buf2 = 當(dāng)前水溫：;uchar code dis_buf3 = 按14號(hào)鍵溫度曲線;uchar code dis_buf4 = 按13號(hào)鍵顯示溫度;uchar code dis_buf5 = 歡迎使用;uchar code dis_buf6 = PT100 測(cè)溫系統(tǒng);uchar code dis_buf7 = 按15號(hào)鍵返回;float temp,voltage;void display()lcd_init();lcd_pos(0,2);str_dis(dis_buf

41、5);lcd_pos(1,0);str_dis(dis_buf6);lcd_pos(2,0);str_dis(dis_buf4);lcd_pos(3,0);str_dis(dis_buf3);void temp_dis()lcd_init();lcd_pos(0,2);str_dis(dis_buf2);lcd_pos(1,5);str_dis(dis_buf1);lcd_pos(2,1);str_dis(dis_buf7);while(1)voltage = read2543(1);/lcd_pos(0,4);/float_dis(voltage,3);lcd_pos(1,2);temp =

42、 voltage * 86.548 - 261.613;float_dis(temp,1);delay_1ms(200);if(key_check() = 1)if(key_event() = 15)display();return;void curve_dis()uchar i,j;write_cmd(0 x01);lcd_init_pic();lcd_gdram_clear();/*建立坐標(biāo)系*/Lcd12864_drawline_x(0, 127, 63, 1);Lcd12864_drawline_y(0, 0, 63, 1);Lcd12864_draw_dots(1,1,1);Lcd1

43、2864_draw_dots(1,2,1);Lcd12864_draw_dots(2,2,1);/Lcd12864_draw_dots(4,2,1);Lcd12864_draw_dots(126,62,1);Lcd12864_draw_dots(125,62,1);Lcd12864_draw_dots(125,61,1);/Lcd12864_draw_dots(126,62,1);/*/for(i=0; i127; i+)voltage = read2543(1);temp = voltage * 86.548 - 261.613;j = 82 - (uchar)temp;Lcd12864_d

44、raw_dots(i+1,j,1);delay_1ms(1000);for(;)if(key_check() = 1)if(key_event() = 15)display();return;void main()uchar key_value;display();while(1)if(key_check() = 1)key_value = key_event(); switch(key_value) case 13:temp_dis();break;case 14:curve_dis();break;default:break; typedef unsigned char uchar;typ

45、edef unsigned int uint;#include#include#includetlc2543.h#define M 5sbit TLC2543_CLK = P20;sbit TLC2543_ADIN = P21;sbit TLC2543_DOUT = P22;sbit TLC2543_CS = P23;sbit EOC = P24;float read2543(uchar port) uchar i,j,temp; uint ad_valueM = 0;float ad = 0;temp = port;TLC2543_CS = 1;for(j=0; jM; j+) TLC254

46、3_CLK = 0; TLC2543_CS = 0;TLC2543_DOUT = 1; EOC = 1; port = 4; for(i=0; i12; i+) TLC2543_ADIN = (bit)(port&0 x80); TLC2543_CLK = 1;if(TLC2543_DOUT) ad_valuej |= 0 x01; _nop_(); _nop_(); _nop_(); TLC2543_CLK = 0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); port = 1; ad_valuej = 1;port = temp;for(i=0; iM; i+)ad = ad +

47、 ad_valuei;ad = ad/M;ad = ad*0.001221; /5.0/4095 return ad; typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;#include#include#includelcd_12864.h#includedelay.h#define lcd_data P0#define A 5sbit RS=P25;/命令數(shù)據(jù)選擇端sbit RW=P26;/讀寫選擇端sbit LCDEN=P27;/使能端uchar code dis_buf=0123456789. ;void read_busy()/

48、lcd_data = 0 xff;RS = 0;RW = 1;LCDEN = 1;while(lcd_data & 0 x80);LCDEN = 0;void write_cmd(uchar cmd) /液晶寫命令函數(shù) read_busy();RS = 0; /寫命令開RW = 0; /寫開/LCDEN = 0;lcd_data = cmd; /寫命令LCDEN = 1; /給個(gè)脈沖delayUs2x(1);LCDEN = 0;void write_data(uchar dat) /液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù) read_busy();RS = 1;RW = 0; /LCDEN = 0; lcd_data

49、= dat; LCDEN = 1; delayUs2x(1); LCDEN = 0;void lcd_init() write_cmd(0 x30); delay_1ms(1); write_cmd(0 x0c); /顯示開，關(guān)光標(biāo) delay_1ms(1); write_cmd(0 x01); /清除LCD的顯示容 delay_1ms(1);void lcd_init_pic() write_cmd(0 x36); /擴(kuò)充指令操作 /delay_1ms(1); write_cmd(0 x0c); /顯示開，關(guān)光標(biāo) /delay_1ms(1); write_cmd(0 x01); /清除LCD

50、的顯示容 /delay_1ms(1);uchar ReadByte(void)/讀數(shù)據(jù) uchar a; read_busy(); lcd_data = 0 xff; RS = 1; RW = 1; /LCDEN = 0; LCDEN = 1; a = lcd_data ; LCDEN = 0; return a; void display_bmp(uchar *address)uchar i,j;for(i=0; i32; i+)write_cmd(0 x80+i);/送垂直地址write_cmd(0 x80);/送水平地址for(j=0; j16; j+)write_data(*addre

51、ss);address+;for(i=0; i32; i+)write_cmd(0 x80+i);/送垂直地址write_cmd(0 x88);/送水平地址for(j=0; j4;/x/16xlabel_bit = x&0 x0f;/x%16if(y 32)Row = y;/上半屏else Row = y-32;/下半屏xlabel += 8;write_cmd(Row + 0 x80);/送垂直地址write_cmd(xlabel + 0 x80);/送水平地址ReadByte();/須先讀一個(gè)字節(jié)Read_H = ReadByte();Read_L = ReadByte();write_c

52、md(Row + 0 x80);write_cmd(xlabel + 0 x80);if(xlabel_bit 8)/修改高位switch(color)case 0:Read_H &= (0 x01 (7-xlabel_bit); break;/若變白case 1:Read_H |= (0 x01 (7-xlabel_bit); break;/若涂黑case 2:Read_H = (0 x01 (7-xlabel_bit); break;/若反轉(zhuǎn)default: break;write_data(Read_H);write_data(Read_L);else/修改低位switch(color)case 0:Read_L &= (0 x01 (15-xlabel_bit); break;/若變白case 1:Read_L |= (0 x01 (15-xlabel_bit); break;/若涂黑case 2:Read_L = (0 x01 x1)temp = x0;x0 = x1;x1 = temp;for(; x0 y1)temp = y0;y0 = y1;y1 = temp;for(; y0 0)incx = 1;else if(delta_x = 0