綜合氣象觀測論文

1、綜合氣象觀測論文設(shè)計課題：pt100鉑電阻測溫度儀器專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)老師：成 績：二。一一年六月二十日摘要熱電阻具有測溫范圍大、穩(wěn)定性好和耐氧化等特點，在低溫測量中占有重要 的地位。本文介紹了一種利用89C51單片機并采用熱電阻的線性溫度測量裝置。 該裝置由AD580、標(biāo)準(zhǔn)電阻、放大器、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)碼 顯示、串行輸出端口等組成。利用恒流源和12位A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計溫度測量電路， 完全消除了傳統(tǒng)的不平衡電橋的非線性誤差，減小熱電阻的接觸電阻和引線電阻 對測量誤差的影響。在程序存儲器EPROM中存放電阻-溫度分度表，采用信號 比較的方式求出高精度的熱電阻值，再

2、根據(jù)熱電阻值的大小查線性表求取對應(yīng)的 溫度值，實現(xiàn)了真正意義上的線性化，大大減小了放大器溫漂和非線性的影響， 并且實現(xiàn)了熱電阻全溫度范圍的溫度測量。該方法具有簡單、實用、測量精度高、 抗干擾能力強等特點。關(guān)鍵詞：熱電阻；溫度測量；單片機；數(shù)碼顯示；串行輸出；非線性；查表、概述溫度測量已是很成熟的技術(shù)，溫度敏感元件既有傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶、熱 敏電阻等溫度傳感器，又有現(xiàn)代的集成溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器，還有超高 溫的光學(xué)溫度傳感器，其中熱電阻測溫方法以其測量范圍大、性能穩(wěn)定、高精度、 高靈敏度、安裝使用方便等特點在中、低溫測量中占有重要的地位。但熱電阻輸 出與溫度之間的非線性特性給精確測量帶來

3、諸多不便。熱電阻測溫時信號處理常 用的方法是采用橋式測量線路、熱電阻線性化處理等，其缺點是存在引線電阻。 引線電阻隨溫度變化會產(chǎn)生附加誤差，線性化處理比較繁瑣且只能減少誤差，而 正反饋法非線性也依然比較嚴(yán)重。本文論述了一種基于Pt100的線性測溫裝置，該裝置在單片機的控制下，先 精確測出熱電阻值Rt，在由Rt的值查熱電阻分度表得出溫度值，然后由串行端口 輸出，實現(xiàn)了真正意義上的線性化，且實現(xiàn)了熱電阻全溫度范圍的測量，并獲得 了較高的測量精度。1、單片機的發(fā)展及在溫度測量中的應(yīng)用單片機的應(yīng)用幾乎滲透到人類生活的每一個角落，對人類生活在不知不覺中 產(chǎn)生巨大的影響。計算機控制已經(jīng)越來越多的參與到自動

4、控制領(lǐng)域，使各種控制 儀表逐漸向智能化、集成化發(fā)展，出現(xiàn)了大批智能控制儀表，不但使過去以分立 元件為主的自動控制儀表被以智能元件為主的智能儀表所代替，而且性能上也有 了大幅度的提高，可以實現(xiàn)直接的數(shù)字化輸出，與現(xiàn)場總線直接相連，實現(xiàn)真正 的智能化、數(shù)字化、單元化，配合工業(yè)PC以及DCS系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā) 揮了極其重要的作用。單片機技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，MCS-51 系列單片機以其優(yōu)越的性能，成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng) 了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。溫度是氣象觀測中主要的被測對象之一，因此獲得高精度的溫度值是很有必 要

5、的。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，利用微機對溫度進(jìn) 行測控的技術(shù)，也便隨之而生，通過軟件對測量溫度的校正使得測得的溫度值更 加精確，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示其優(yōu)越性。2、鉗電阻的非線性分析按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻Pt100在0650 C范圍 內(nèi)的符合ITS - 90的國際分度表函數(shù)R ( t)可用下式表示：Rt = R0 (1 + A t + Bt)(1-1)其中Rt , R0分別是t C和0 C時的鉑電阻阻值，A = 3. 90802 x 10-3 C1, B = -5. 80195 x10-7 C2。該分度函數(shù)的特點是溫度覆蓋范圍廣、精度高，但

6、隨著溫度的升高，鉑電阻的 非線性越來越嚴(yán)重.可見，在-50C50 C測溫范圍內(nèi)存在非線性項Bt2，且為負(fù)值, 因而電阻的變化率隨著溫度的升高而下降。因此在數(shù)據(jù)采集完后的處理中我們要 對其誤差進(jìn)行補償。3、鉑電阻的三線制接法四線制鉑電阻測溫當(dāng)然是消除引線影響的最佳方案，但對多路測溫而言成本 太高,工業(yè)上一般采用折衷的三線制鉑電阻測溫方案。三線制接法補償即將連接熱電阻的兩根導(dǎo)線分別置于兩個橋臂中，當(dāng)環(huán)境溫度變化而使導(dǎo)線電阻值改變時它的影響得到抑 制。由于每一路可減少一根導(dǎo)線，且對電路參數(shù)的 調(diào)試要求不高，補償了環(huán)境溫度對測量的影響，而 測量電路所用的均為普通器件。由電路知：(1-2)圖1-1鉑電阻

7、的三線制接法式中：Rt為溫度t時鉑電阻阻值；RB為初始溫度t0時鉑電阻阻值,Rb Rt0,rt為鉑電 阻引線電阻。當(dāng)rt因環(huán)境影響變?yōu)閞t1時有：(1-3 )當(dāng)=VZ = 2(r. - r)L(1-4)V V R + R + 2 r以長100m、截面為1mm2銅導(dǎo)線為例，其電阻為r =p 20 x 100 = 1.72( Q.)。若引 線所處環(huán)境溫度在20 C基礎(chǔ)上變化20C(平均值)則有：A r = r - r = a tr= 0.004 x 20 x 1.72 = 0.1376( Q)(1-5)式中：a為銅電阻品均溫度系數(shù)。顯然不論用硬件還是軟件線性化處理，鉑電阻引線與環(huán)境溫度變化帶來的

8、影響使不平衡電橋電路無法滿足高精度測溫要求。因此，本設(shè)計提出了相似的恒 流源電阻/電壓轉(zhuǎn)換三線制鉑電阻測量電路。這在后面作詳細(xì)敘述。二、系統(tǒng)硬件設(shè)計1、硬件電路構(gòu)成硬件電路由溫度傳感器部分、數(shù)據(jù)采集處理部分和輸出顯示部分等組成。系 統(tǒng)組成框圖如下：液晶曰壬嬰 顯示器串行通 信口測控技術(shù)與儀圖2-1硬件組成原理框圖2、微型計算機的選擇本系統(tǒng)選用AT89C51作CPUO AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)4KB 快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器，其內(nèi)部有4 KB的EEPROM,。 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.。三 級程序存儲器鎖定、

9、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù) 器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時 鐘電路。利用89C51串行輸出工作方式，使89C51的利用率大大提高，外部電路 得以簡化。89C51可直接與鍵盤進(jìn)行掃描讀數(shù)，可直接用串/并行轉(zhuǎn)換模塊 74LS164驅(qū)動LED顯示溫度值。因其利用率高，負(fù)載重，后向電路只需加一塊通 向驅(qū)動器即可正常工作。在串行傳輸數(shù)據(jù)時，頻率可達(dá)到1 MHz，對溫度的顯示完 全達(dá)到測控精度要求。與MCS -51微控制器產(chǎn)品系列兼容,使用高密度、非易失存 儲技術(shù)制造，存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次。AT89C51的引腳與8

10、031相同。因 此，不需要擴展即能滿足要求。3、熱電阻的選擇熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原 理制成的。鉑雖屬貴重金屬但具有耐高溫、使用壽命長，溫度靈敏度高，對溫度 變化反應(yīng)速度快，同時電阻溫度特性好，便于分度和讀數(shù)等特點因此采用鉑熱電 阻作為溫度測量元件，其型號為Pt100 ,測量范圍為-200+ 650 CPt100型鉑熱 電阻在0 C時的阻值為100Q ,200 C時的阻值在170Q左右。4、放大電路PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小，如果直接與A / D轉(zhuǎn)換器相連接， 則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)偏差較大；所以本設(shè)計中將PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓放大后 再與進(jìn)行A

11、/D轉(zhuǎn)換，這樣就能得到較好的轉(zhuǎn)換效果，如圖2-2所示。放大器 用的是AD8571AS。4、A/D轉(zhuǎn)換部分ADC0808為了保證合理的采樣率，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器可選用逐次比較式模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，在本 系統(tǒng)中選用的是AD574。它是美國模擬器件公司生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速的 A /D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大為25pS,轉(zhuǎn)換精度0.05% ,是目前我國市場上應(yīng) 用最廣泛、價格適中的A /D轉(zhuǎn)換器。主機可以采用中斷、查詢或延時方式讀取 AD574的轉(zhuǎn)換結(jié)果值。由于AD574片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時鐘電路, 這使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切A/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng) 用非常方便。ADC0808 與

12、 89C51 的接口電路A/D轉(zhuǎn)換由集成電路0808完成，0808具有8路模擬輸入端口，地址線（23 25腳）可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。22腳為地址鎖存控制，當(dāng)輸入為 高電平時，對地址信號進(jìn)行鎖存。6腳為測試控制，當(dāng)輸入一個2S寬高電平 脈沖時，就開始A/D轉(zhuǎn)換。7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7 腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出10腳為0808的時鐘輸入端，利用單片機30腳的六分頻品 振頻率再通過14024二分頻得到1MHz時鐘。P0端口作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用， P2端口用作0808的A/D轉(zhuǎn)換控制。5、串

13、口輸出單元串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方式。同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復(fù)雜。而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50到19200波特之間， 是比較常用的傳送方式。在異步通信中，數(shù)據(jù)是一幀一幀傳送的，每一串行幀的 數(shù)據(jù)格式由一位起始位，58位的數(shù)據(jù)位，一位奇偶校驗位（可省略）和一位停止 位四部分組成。在串行通信前，發(fā)送方和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率 （通信協(xié)議）。本設(shè)計中串行輸出端口由MAX220完成，每數(shù)據(jù)包2個字節(jié)，波特率為9600， 精確到0.1 C5.1 MAX220MAX220包含4個部分：雙路電荷泵DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器、RS-232驅(qū)動器、 RS-232接收器，

14、以及接收器與發(fā)送器使能控制輸入。1）雙路電荷泵雙路電荷泵將+5V轉(zhuǎn)換為10V （空載），為RS-232驅(qū)動器提供工作電壓。第一 個轉(zhuǎn)換器利用電容C1將+5V輸入加倍，得 0V+輸出端C3上的+10V ；第二個轉(zhuǎn)換 器利用電容C2將+10V轉(zhuǎn)換為V-輸出端C4上的-10V。2）RS-232驅(qū)動器如果負(fù)載是標(biāo)稱值為5kQ的RS-232接收器，并且VCC =+5V時，驅(qū)動器輸出 電壓擺幅的典型值為8V?？蛰d時驅(qū)動器輸出電壓范圍是（V+-1.3V）至（V- +0.5V）。 輸入門限兼容于TTL和CMOS邏輯。在關(guān)斷模式、三態(tài)模式，或器件電源被斷開 的情況下，驅(qū)動器輸出關(guān)閉，并進(jìn)入高阻狀態(tài)，該狀態(tài)下的漏

15、電流通常只有幾個 微安（最大值為25四A）。輸出可以被驅(qū)動到土 15V。在關(guān)斷模式下，電源電流通常 降至叩A(chǔ)。MAX220不具備內(nèi)部上拉電阻，所以不能將未使用的驅(qū)動器輸出強制 為低電平，須將未使用的輸入端連接至GND或VCC。3）RS-232接收器所有接收器都是反相的。輸入門限設(shè)定為0.8V和2.4V，驅(qū)動器既響應(yīng)TTL電 平輸入，也響應(yīng)EIA/TIA-232E 與V.28電平。接收器輸入可以承受最高25V的過 壓輸入，并提供標(biāo)稱值為5kQ的輸入端接電阻。接收器輸入滯回的典型值為0.5V， 并可確保0.2V最小值。這樣，對于慢變化輸入信號可以產(chǎn)生明確的輸出跳變，即 使是在有一定噪聲和振蕩的情況

16、下。接收器傳輸延時典型值為600ns，與輸入擺幅方向無關(guān)。C1 +V cc116V+215GNDC1-314T1 OUTC2+4MAX22013R1INC2-512r1outV-611T1 INT2 OUT710T2inR2IN89R2OUT圖2-3 MAX220引腳配置5.2串行輸出電路6、LCD液晶顯示電路本設(shè)計系統(tǒng)采用的是并列傳輸方式，單片機控制與液晶顯示接口電路如下圖 所示：三、系統(tǒng)工作流程1、本鉑電阻測溫儀器在測量氣象溫度時，將鉑電阻置于要測量的環(huán)境中， 利用PT100的阻值隨溫度近似線性變換使得電橋不再等臂，從而電橋輸出電位 差。2、電位差作為輸入進(jìn)入差模放大器中，通過調(diào)整反饋電阻

17、與輸入電阻的比 值得到適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，方便下一步的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。3、根據(jù)ADC0808的接線確定了放大信號的輸入通道為通道0，信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號，送入單片機進(jìn)行處理和顯示及儲存。4、AT89C51是該儀器的核心部分，單片機將從A/D轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字信號進(jìn) 行處理，利用其內(nèi)存儲器儲存的PT100電阻值與溫度對應(yīng)關(guān)系表（見附錄二）， 從而對鉑電阻橋路的信號進(jìn)行非線性補償，使得儀器的測量更加準(zhǔn)確。然后單片 機再將處理好的信號數(shù)值一方面存儲到存儲器EEPROM中，另一方面輸出到LCD 液晶顯示器上進(jìn)行顯示輸出。5、LCD液晶顯示器將測得溫度進(jìn)行顯示輸出。四、結(jié)論與心得通過仿真，pt100鉑電

18、阻測溫度儀器能夠正常工作，效果比較好。在整個論文設(shè)計過程 中，我從每一個細(xì)節(jié)入手，一點點積累，一步步理解攻破，從中不僅加強了對氣象方面的興 趣，而且對我在單片機等科目達(dá)到了學(xué)以致用，加強了對書本內(nèi)容的進(jìn)一步理解，對于單片 機學(xué)習(xí)起到了良好的促進(jìn)作用。另外，我得出一個道理：努力的過程需要堅持，缺少每一步 都不可能將目標(biāo)完整的實現(xiàn)；實踐的過程需要細(xì)心，只有細(xì)致效率才更高，才能將每個步驟 完美的完成。參考文獻(xiàn)1孫育才MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用.第四版2004劉希民.一種基于熱電阻的線性溫度測量裝置的研制J.遼寧：石油化工高等 學(xué)校學(xué)報、2007第20卷（增刊）、83-863潘文誠一種鉑電

19、阻高精度測溫方法J.傳感器技術(shù)2003第22卷第11期附錄_UXROXNdrI-ZOC2DDDDDDDD ERR vvv76543210 ws EDSEdsud5L d$pctln- c3dalsL t|-Z-C9c3 TNLn31 C6L CXEOCCQ-OLAKXe cuogq- GKtcJBaDAKOO lxcwob ,aDAVO-rtO COIkDB cotcsJBaruooto otbOO附錄二：電阻/溫度表，pt100鉑電阻，0C時為100.0。溫度0123456789C電阻值（Q）-5080.3179.9179.5179.1178.7278.3277.9277.5277.1276.73-4084.2783.8783.4883.0882.6982.2981.8981.5081.1080.70-3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.67-2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.8089.4089.0188.62-1096.0995.6995.3094.9194.5294.1293.7393.3492.9592.550100.0099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.480100.00100.39100.7