溫度變送器的設(shè)計(jì)

摘要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要介紹了鉑電阻PT100的特性以及測(cè)溫的方法。在該設(shè)計(jì)中，以鉑電阻PT100作為溫度傳感器，金屬鉑具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸?。浑娮柚惦S溫度變化而變化，基本呈線性關(guān)系；在測(cè)溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長(zhǎng)期復(fù)現(xiàn)性好，測(cè)量精度。設(shè)計(jì)采用恒流測(cè)溫的方法，通過(guò)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(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)，減小了測(cè)量電路及PT100自身的誤差，使溫控精度在0°C?100°C范圍內(nèi)達(dá)到0.5級(jí)。系統(tǒng)的特點(diǎn)是：使用簡(jiǎn)便；測(cè)量精確、穩(wěn)定、可靠；測(cè)量范圍大；使用對(duì)象廣。關(guān)鍵詞：PT100；溫度變送器；單片機(jī)TheDesignofTheTempertureTransmitterZHANGWu-xiAbstractThisarticlebrieflydescribesthecharacteristicsofPT100platinumresistanceandtemperaturemeasurementmethod.Inthisdesign,itisuseaPT100platinumresistanceastemperaturesensor,Themetalplatinumhasthehighresistancetemperaturecoefficient,andhashighsensitivity.Theelectronicresistivityishigh.Thepartsizeissmall.Theresistancevaluechangesalongwiththetemperaturechange.Itassumesthelinearrelationsbasically.Inthetemperaturemeasurementscope,thephysicsandchemistryofmetalplatinumperformancearestable.Themetalplatinumisgoodatthelong-termreproducibility,andthemeasuringaccuracyishigh.inordertoacquisitionthetemperaturesignal,ituseofconstant-currenttemperaturemeasurementmethodandusesingle-chipcontrol,Amplifier,A/Dconverter.Thetemperatureprecisionisreached0.5levelbetween0°C?100°C.Thesystemissimple,accurate,stableandwiderange.Keywords:PT100;Temperturetransmitter;SCMTOC\o"1-5"\h\z設(shè)計(jì)背景 1方案論證與設(shè)計(jì)原理 12.1傳感器的選擇 12.2PT100傳感器特性和測(cè)溫原理 22.3系統(tǒng)的工作原理 34系統(tǒng)框圖 3電路設(shè)計(jì) 43.1電源電路部分 42信號(hào)調(diào)理電路 43.3恒流源電路 43.4放大電路的設(shè)計(jì) 53.5溫度變送器的A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路 83.6單片機(jī)控制電路 11\o"CurrentDocument"鉑電阻溫度變送器的實(shí)現(xiàn)電路圖 13\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)的精度分析 14\o"CurrentDocument"結(jié)論及尚存在的問(wèn)題 15致謝 16\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)： 17附錄1鉑電阻分度表 18附錄2A/D轉(zhuǎn)換程序 21溫度變送器設(shè)計(jì)姓名：張武溪學(xué)號(hào)：2008374116班級(jí)：08電子（1）設(shè)計(jì)背景在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。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。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，溫度變送器在智能溫度測(cè)量得到廣泛應(yīng)用，以熱電阻為例設(shè)計(jì)其溫度變送器，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮非線性冏題，同時(shí)考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中存在參考電源波動(dòng)以及大量的電磁噪聲干擾等對(duì)溫度測(cè)量的影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些影響，才能保證測(cè)量準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意集成電路應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題以及主要技術(shù)指標(biāo)。利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器。其中Pt100型鉑熱電阻的測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好，是200+650°C溫度范圍內(nèi)應(yīng)用很廣的一種電阻型溫度傳感器。設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)，TLC2543A/D轉(zhuǎn)換器，AD620放大器，鉑電阻PT100及6位數(shù)碼管組成系統(tǒng)，編寫了相應(yīng)的軟件程序,使其實(shí)現(xiàn)溫度的顯示。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹，利用Pt100為測(cè)溫度元件，設(shè)計(jì)出一個(gè)精度較高的溫度變送器。方案論證與設(shè)計(jì)原理2.1傳感器的選擇利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。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。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。熱電阻測(cè)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(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。大多數(shù)熱電阻在溫度升高1C時(shí)電阻值將增加0.4%?0.6%。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測(cè)量-200°C?+500°C范圍內(nèi)的溫度。并且隨著科技的發(fā)展熱電阻傳感器的測(cè)溫范圍也隨著擴(kuò)展，低溫方面已成功地應(yīng)用于1?3K的溫度測(cè)量中，高溫方面也出現(xiàn)了多種用于1000?1300C的熱電阻傳感器。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，它具有裝配簡(jiǎn)單，更換方便壓簧式感溫元件，抗震性能好測(cè)量范圍大(一200C?1300C,特殊情況下一270C?2800C)機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，耐壓性能好耐高溫可達(dá)2800度，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作。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的敏感元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸，又稱非接觸式測(cè)溫儀表。這種儀表可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。而且測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測(cè)溫度原則上沒(méi)有限制。對(duì)于1800C以上的高溫，主要采用非接觸測(cè)溫方法。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)量的精度和分辨率相對(duì)較高，綜合價(jià)格以及后續(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)溫范圍從一200C?+650C。 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，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、對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。2.2PT100傳感器特性和測(cè)溫原理電阻式溫度傳感器(RTD,ResistanceTemperatureDetector)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)它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0C時(shí)阻值為100歐姆，在100C時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0?650C范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2) (2-1)在-200?0C范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3) (2-2)式中A、B、C為常數(shù)，A=3.96847x10-3；B=-5.847x10-7；C=-4.22x10-12；由于它的電阻一溫度關(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+aT）其中a=0.00392,Ro為100。（在0°C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PT100OPT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200C?+650C，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。主要技術(shù)指標(biāo)：1.測(cè)溫范圍：-200?650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。通過(guò)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(guò)LED顯示溫度。2.3系統(tǒng)的工作原理測(cè)溫電路是把當(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)AT89S51，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)送出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。2.4系統(tǒng)框圖設(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)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖電路設(shè)計(jì)3.1電源電路部分設(shè)計(jì)中采用橋式整流電路對(duì)220V交流電壓進(jìn)行降壓與整流。其穩(wěn)壓整流電路如下:圖3-1橋式整流電路3.2信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)變換成前向通道中A/D轉(zhuǎn)換器能識(shí)別的信號(hào)，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻PT100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。3.3恒流源電路從上述關(guān)于PT100傳感器測(cè)溫原理可知，由PT100構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有2種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問(wèn)題，一般采用單臂橋；還有一種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過(guò)溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。根據(jù)測(cè)試技術(shù)的有關(guān)知識(shí)，采用單臂橋式的輸出與電阻的阻值不是個(gè)正比的關(guān)系，因而數(shù)據(jù)處理起來(lái)特別麻煩，尤其是用單片機(jī)來(lái)處理這些非線性的問(wèn)題；而采用恒流源式的由于恒流源的作用，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關(guān)系，因此，該系統(tǒng)采用恒流源電路來(lái)獲取溫度信號(hào)。恒流源電路的設(shè)計(jì)，有用三極管構(gòu)成的，有用專門的恒流管，也有用價(jià)格低廉的器件通過(guò)比較巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)成的，本系統(tǒng)是采用價(jià)格低廉的運(yùn)放為核心來(lái)構(gòu)成的，恒流效果十分理想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源電路見下圖3-2所示。上圖中，由于運(yùn)放虛地的結(jié)果，造成OP-07的反相輸入端為0V，而圖中1.5K電阻的下端由于運(yùn)用精密的電壓源LM336-2.5，外加調(diào)整電路，該點(diǎn)電壓可調(diào)整為2.500V，而由于運(yùn)放的輸入阻抗極高，輸入端可以認(rèn)為不吸入電流，因此從1.5K電阻上流過(guò)的電流大小固定而且一定等于OP-07輸出端流入溫度傳感器PT100的電流，從而達(dá)到恒流的效果，連接PT100兩端的壓差正好反映溫度變化的信號(hào)送入后級(jí)的放大器。這里值得注意的是恒流效果的好壞與下面幾個(gè)因素有關(guān)，圖示1.5K電阻的精度及溫度穩(wěn)定性要好，我們采用的是高精度高穩(wěn)定的電阻；還有是一定要選擇輸入阻抗高的運(yùn)放，包括產(chǎn)生虛地處的運(yùn)放（圖中OP-07）和后級(jí)的放大器（圖中的AD620），否則較大的輸入電流也將直接影響恒流的效果；最后一點(diǎn)是參考電壓（圖中是7.5V）的穩(wěn)定性要高，這里的參考電壓采用是LM336-2.5V作為參考電壓基準(zhǔn)。3.4放大電路的設(shè)計(jì)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3-3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)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，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來(lái)解決剛才的參數(shù)匹配問(wèn)題已不是什么復(fù)雜的問(wèn)題。隨著近年來(lái)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。

圖3-3AD620放大器原理圖AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1至10,000。此外，由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點(diǎn)使AD620特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測(cè)儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場(chǎng)合。AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計(jì)，并且功耗較低（最大電源電流僅1.3mA），因此非常適合電池供電的便攜式（或遠(yuǎn)程）應(yīng)用。AD620具有高精度（最大非線性度40ppm）、低失調(diào)電壓（最大50µV）和低失調(diào)漂移（最大0.6µV/°C）特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療應(yīng)用。%OUTPUTREFTOPVIEW圖3-4AD620引腳圖由于其輸入級(jí)采用Super^e處理，因此可以實(shí)現(xiàn)最大1.0nA的低輸入偏置電流。AD620

在1kHz時(shí)具有9nV/^Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1Hz至10Hz頻帶內(nèi)的噪聲為0.28gV峰峰值，輸入電流噪聲為0.1pA/*Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時(shí)，AD620的0.01%建立時(shí)間為15四，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實(shí)現(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)。AD620的內(nèi)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+49.4KQ/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3-6所示。由于我們的溫度測(cè)量范圍是0?100°C，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，假設(shè)我們只用一個(gè)AD620，則AD620的輸出為2V?5V（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0.1C，因此，我們必須將100歐姆以下的值通過(guò)偏置的方法將其減掉，然后通過(guò)增加放大倍數(shù)來(lái)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3-5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。R7傳感器信號(hào)的輸入-12V放器偏置電務(wù)A0R7傳感器信號(hào)的輸入-12V放器偏置電務(wù)A0圖3-5放大電路Op-07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25gV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。特點(diǎn)：超低偏移：150|1V最大。低輸入偏置電流：1.8nA。低失調(diào)電壓漂移：0.5四V/C。

OffsetM1InvertngInputNon-inverthgInputV*一2OffsetM1InvertngInputNon-inverthgInputV*一23S755Vcc+OutputN.C.圖3-6Op-07管腳圖Op-07芯片引腳功能說(shuō)明：1和8為偏置平衡（調(diào)零端），2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳6為輸出，7接電源+ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS最大額定值。5溫度變送器的A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路在我們所測(cè)控的信號(hào)中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)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(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字量。在該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的TLC2543,TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。逐次逼近型其轉(zhuǎn)換原理為：A/D轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓Ui與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓Ui（預(yù)定的電壓由逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中的D/A輸出獲得）電壓相比較，根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓Ui是大于還是小于待轉(zhuǎn)換成的模擬輸入電壓Uin來(lái)決定當(dāng)前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是“0”還是“1”，據(jù)此逐位比較，以便使轉(zhuǎn)換結(jié)果（相應(yīng)的數(shù)字量）逐漸與模擬輸入電壓相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量接近。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）以及串行數(shù)據(jù)輸入端（DATAINPUT。片內(nèi)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)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣一保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高。TLC2543的特點(diǎn)（1） 12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；（2） 在工作溫度范圍內(nèi)10以轉(zhuǎn)換時(shí)間；（3） 11個(gè)模擬輸入通道；（4） 3路內(nèi)置自測(cè)試方式；（5） 采樣率為66kbps；

線性誤差±1LSBmax；有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；具有單、雙極性輸出；可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。3、TLC2543的主要特性TLC2543的引腳排列如圖3-7所示。1—~51—~56—8910-A0VCC-A1EOC-A2CLOK-A3DI-A4DO-A5/CS-A6R+-A7R--A8A10GNDA920皿181716171?E11TLC2543圖3-7TLC2543的引腳圖TLC2543圖3-7TLC2543的引腳圖表3-1TLC2543的引腳說(shuō)明引腳號(hào)名稱I/O說(shuō)明1?9,11,12AIN0?AIN10I模擬量輸入端。11路輸入信號(hào)由內(nèi)部多路器選通。對(duì)于4.1MHz的I/OCLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50Q，而且用60pF電容來(lái)限制模擬輸入電壓的斜率15I片選瑞。在U3瑞由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止DATAINPUT和I/OCLOCK17DATAINPUTI串行數(shù)據(jù)輸入瑞。由4位的串行地址輸入來(lái)選擇模擬量輸入通道16DATAOUTOA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。餌為高時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，邙為低時(shí)處于激活狀態(tài)19EOCO轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止10GND地。GND是內(nèi)部電路的地回路端。除另有說(shuō)明外，所有電壓測(cè)量都相對(duì)GND而言18I/OCLOCKI輸入/輸出時(shí)鐘端。I/OCLOCK接收串行輸入信號(hào)并完成以下四個(gè)功能：（1）在I/OCLOCK的前8個(gè)上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（2）在I/OCLOCK的第4個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/OCLOCK的最后一個(gè)下降沿為止。（3）將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到DATAOUT端，在I/OCLOCK的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)開始變化。（4）I/OCLOCK的最后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位14REF+I正基準(zhǔn)電壓端?；鶞?zhǔn)電壓的正端（通常為Vcc）被加到REF+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與REF-端的電壓差決定13REF-I負(fù)基準(zhǔn)電壓端。基準(zhǔn)電壓的低端（通常為地）被加到REF-20Vcc電源TLC2543與單片機(jī)的連接如圖3-8所示。圖3-8TLC2543電路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(guò)程,I/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)。3.6單片機(jī)控制電路AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元。40個(gè)引腳，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，和工業(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，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。iT2)P10匚iT2)P10匚(T2EX)P1.1匚P1.2CF13CF1.4CP1$匚P1.6DP1.7CRSTC(RXD)P3.odiTXD)P3.1匚tlNTO)P3.2C-INTI-P3.3C(TO)P3.4□iT1：＞P3.5UtWR)P3.6□iRDiP37EXTAL2CXTAL1匚GNDC140239338437563573483393210311130122913院1427152616251724182319222021VCCPO.O(ADO)POJiAD1iJP0.2iAD2：iJPO3'：AD3jP0.4iAD4iP0.SMD5)Pox(AD6)P07MD7：iEAVPP.ALE；PROGPSENP2,7jA1AP2.6i.AU：-P2.5iA13：?P2.4(A12：?P2JM9：'AT89S5!圖3-9AT89S51引腳圖主要性能特點(diǎn)1、 4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；2、 128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；

3、 32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口；4、 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、2層中斷嵌套中斷；5、 6個(gè)中斷源；6、 2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；7、 2個(gè)全雙工串行通信口；8、 看門狗（WDT）電路；9、 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；10、 與MCS-51兼容；11、 全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；12、 三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；13、 可編程串行通道；14、 低功耗的閑置和掉電模式。AT89S51單片機(jī)作為主控電路，其中P1口為A/D轉(zhuǎn)換器的通信端口，P0口接數(shù)碼管的段碼，P2口接數(shù)碼管的片選端，用于對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行片選。如圖3-10所示。VCCpi.o/rVccpi.i/tPl.2PO.OPl.3P0.1pi.4pi.o/rVccpi.i/tPl.2PO.OPl.3P0.1pi.4P0.2Pl.3P0.3Pl.6P0.4Pl7.-_PO5A姬商/VPDPU.OP0.7P3.0/RXDeSvppP3.1/IXDP3.2^NT0ALE^ROGP3：3j'5hTP3.4/WP3MP2.7P3.6屜菠P2.6P3.漏P2.5MAL2P2.4P2.3燈國(guó)P2.2GridP2.1P2.0AT89S513028： vccT圖3-10單片機(jī)控制電路4.鉑電阻溫度變送器的實(shí)現(xiàn)電路圖4-一4-±j-1l___!_=1-<ttffehfIsPl0■!wcPll.-IPOjOP12P01F13F02P1.+POJP1JP0.+Pl.i；P0.5Pl.7P0>gLTD_P0.7PiJO.'EXD函VPPP31.-IXDMJl-PWGP32.-HTTPiwPiJ.'HiTP2.7P3.+jI0P2.JPJJP2.+P3.7.-fTTP23XIAL2KJximP21G皿…5PMIMl￡11oii(rg+1JVGBDLLI7C1?CIOHS?況-1JV皿—LLF912CI 1000[F~T~qjifLMHO也I--lOOO^Yoi^ E±JIE<一±-±-4一-4『33-葛一-4一5.設(shè)計(jì)的精度分析表5-1電路數(shù)據(jù)測(cè)量表溫度(°C)鉑電阻的阻值(Q)電壓計(jì)算值(V)電壓實(shí)測(cè)值(V)絕對(duì)誤差(V)010000.0010.00110103.90.5920.6100.00520107.791.1611.1840.00930111.671.7071.7350.01040115.542.2322.2620.01250119.402.7382.7740.01660123.243.2233.2670.01770127.073.6913.7410.01480130.894.1424.1970.02190134.704.5774.6390.025100138.505.0005.0680.022利用以上所測(cè)得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出變送器的精度，起計(jì)算公式如下：/1=±—xlOO%(5-1)式中A表示變送器的精度，U表示基本誤差，可理解為變送器的不確定度，在數(shù)值上取11個(gè)絕對(duì)值中的最大值。Yfs為滿量程輸出時(shí)的數(shù)值，約為5伏。根據(jù)(5-1)式，代入相應(yīng)值有：A=±(0.025/5x100%)=±0.5% (5-2)由上述可知，本設(shè)計(jì)的精度可達(dá)0.5級(jí)。結(jié)論及尚存在的問(wèn)題該溫度變送器的設(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。經(jīng)過(guò)多次的修改和調(diào)試測(cè)量，該設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)這次溫度變送器的設(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，該設(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。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)四個(gè)多月，從一開始的課題確定，到后來(lái)的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來(lái)的調(diào)試和測(cè)試過(guò)程，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到提升。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中仍存在一些問(wèn)題，來(lái)自電路內(nèi)部和外部的各種干擾，受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件選擇、安裝、制造工藝影響。由于在電路焊接過(guò)程中，出現(xiàn)了一些虛焊，嚴(yán)重影響變送器的調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次電路檢查，基本上合乎了設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最后調(diào)試，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，很好地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。由于受個(gè)人所掌握的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)室條件有限，所以該設(shè)計(jì)還存在很多可以提高的地方，不能滿足實(shí)際生活中的多用戶情況，這些方面需進(jìn)一步深入研究，在以后的設(shè)計(jì)中得以改進(jìn)！致謝歷時(shí)將近四個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。尤其是楊波老師，他對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)，從設(shè)計(jì)的選題到設(shè)計(jì)任務(wù)書，開題報(bào)告，論文的完成一直都關(guān)心督促畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程和進(jìn)度。在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最衷心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過(guò)程中給予我了很多你問(wèn)素材，還在論文的撰寫和排版燈過(guò)程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正。參考文獻(xiàn)：［I］ 鄭建國(guó)，一種高精度的鉑電阻溫度測(cè)量方案，自動(dòng)化儀表，1997,(8)；⑵林金全編著，自動(dòng)檢測(cè)控技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版報(bào)社，2003年；［3］ 趙負(fù)圖編著，現(xiàn)代傳感器集成電路，電子工業(yè)出版社，2000年；［4］ 馬家辰.MCS-51單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997；［5］ 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］，北京航空航天大學(xué)出版社，1991年8版；［6］ 趙學(xué)增編著.檢測(cè)與傳感技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998，(10)：20；［7］ 李建民.單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］，江漢大學(xué)學(xué)報(bào)，1996年6版；［8］ 方平生編著，線性集成電路應(yīng)用指南，電子工業(yè)出版社，1994年；［9］ 曹素芬編著，MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)，東北大學(xué)出版社，1994年；［10］ 呂俊芳編著，傳感器接口與檢測(cè)儀器電路，北京航空航天大學(xué)出版社，1993年；［II］ 胡漢才編著，單片機(jī)原理及其接口技術(shù)，清華大學(xué)出版社，1996年；［12］ 楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用［M］，西安電子科技大學(xué)出版社，2001年12版；［13］ 劉坤.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全［M］，人民郵電出版社，2008年9版；［14］ LeonardShermanofMaxinm，CMOSAmplifiersfor±15VSystems.ElectronicEngineering，F(xiàn)ebruary，1987年；［15］ RoydnD.JonesHybridCirauitDesignandManufacture，MARCELDEKKERINC，1982年。

附錄1鉑電阻分度表附表1-1Pt100鉑電阻分度表（-200到650）單位：Q溫度(°C)電阻值（歐姆）0123456789-20017.28—————————-19021.6521.2120.7820.3419.9119.4719.0318.5918.1617.72-18025.9825.5525.1224.6924.2523.8223.3922.9522.5222.08-17030.2929.8629.4329.0028.5728.1127.7127.2826.8526.12-16034.5634.1333.7133.2332.8532.4332.0031.5731.1430.71-15038.8038.3837.9537.5337.1136.6836.2635.8335.4131.93-14043.0242.6042.1841.7641.3340.9140.4940.0739.6539.22-13047.2146.7946.3745.9545.5345.1244.7044.2843.8543.44-12051.3850.9650.5450.1349.7149.2948.8848.4648.0447.63-11055.5255.1154.6954.2353.8753.4553.0452.6252.2151.79-10059.6559.2358.8258.4158.0057.5957.1756.7656.3555.93-9063.7563.3462.9362.5362.1161.7061.2960.8860.4760.06-8067.8467.4367.0266.6166.2165.8065.3964.9864.5764.16-7071.9171.5071.1070.6970.2869.8869.4769.0668.6568.25-6075.9675.5675.1574.7574.3173.9173.5373.1372.7272.32-5080.0079.6079.2078.7978.3977.9977.5877.1876.7776.37-4084.0383.6383.2282.8282.4282.0281.6281.2180.8180.44-3088.0487.6487.2486.8486.4486.0485.6385.2384.8384.43-2092.0491.6491.2490.8490.4490.0489.6489.2488.8488.44-1096.0395.6395.2394.8394.4394.0393.6393.2492.8492.44-0100.0099.6099.2198.8198.4198.0197.6397.2296.8296.420100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.6710103.96104.36104.75105.15105.54105.91106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.4630111.85112.25112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.3940115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.3150119.70120.09120.43120.87121.26121.65122.01122.43122.82123.2160123.60123.99124.38124.77125.16125.55125.94126.33126.72137.1070127.49127.88128.27128.66129.05129.44129.82130.21130.60130.9980131.37131.76132.15132.54132.92133.31133.70134.08134.47134.8690135.24135.63136.02136.40136.79137.17137.56137.94138.33138.72

100139.10139.49139.87140.26140.64141.02141.41141.79142.18142.66110142.95143.33143.71144.10144.48144.86145.25145.63146.01146.40120146.78147.16147.55147.93148.31148.69149.07149.46149.84150.22130150.60150.98151.37151.75152.13152.51152.89153.27153.65154.03140154.41154.79155.17155.55155.93156.31156.69157.07157.45157.83150158.21158.59158.97159.35159.73160.11160.49160.86161.24161.62160162.00162.38162.76163.13163.51163.89164.27164.64165.02165.40170165.78166.15166.53166.91167.28167.66168.03168.41168.79169.16180169.54169.91170.29170.67171.04171.42171.79172.17172.54172.92190173.29173.67174.04174.41174.79175.16175.54175.91176.28176.66200177.03177.40177.78178.15178.52178.90179.27179.64180.02180.39210180.76181.13181.51181.88182.25182.62182.99183.36183.74184.11220184.48184.85185.22185.59185.96186.33186.70187.07187.44187.81230188.18188.55188.92189.29189.66190.03190.40190.77191.14191.51240191.88192.24192.61192.98193.35193.72194.09194.45194.82195.19250195.56195.92196.29196.66197.03197.39197.76198.13198.50198.86260199.23199.59199.96200.33200.69201.06201.42201.79202.16202.52270202.89203.25203.62203.93204.35204.71205.08205.41205.80206.17280206.53206.90207.26207.63207.99208.35208.72209.03209.44209.81290210.17210.53210.89211.25211.62211.98212.34212.71213.07213.43300213.79214.15214.51214.88215.21215.60215.96216.32216.68217.04310217.40217.76218.12218.49218.85219.21219.57219.93220.29220.64320221.00221.36221.72222.08222.44222.80223.16223.52223.88224.23330224.59224.95225.31225.67226.02226.38226.74227.10227.45227.81340228.17228.53228.88229.24229.60229.95230.31230.67231.02231.38350231.73232.09232.45232.80233.16233.51233.87234.22234.58234.93360235.29235.64236.00236.35236.71237.06237.41237.77238.12238.48370238.83239.18239.54239.89240.24240.60240.95241.30241.65242.01380242.36242.71243.06243.42243.77244.12244.47244.82245.17245.53390245.88246.23246.58246.93247.28247.63247.98248.33248.68249.03400249.38249.73250.08250.43250.78251.13251.48251.83252.18252.53410252.88253.23253.56253.92254.27254.62254.97255.32255.67256.01420256.36256.7125