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温度变换器毕业设计论文
摘要
在工业过程控制中,温度测量的应用非常广泛,因此掌握温度测量的相关技术具有非常重要的意义。
其中基于PT100温度变送器是利用铂热电阻传感器作为检测装置,以单片机作为控制系统,可以实现串行传输,并利用LCD显示屏显示温度值的测温系统。
由于铂电阻的阻值比较小,所以连接导线的电阻值不可能忽视,1欧的导线电阻就会产生5摄氏度的误差,所以我们需要对导线的电阻进行处理,其中一个方案就是采用三线制桥式测温电路的连接方式。
该系统适用于工业生产中的温度监测。
本文选取AT89S52微控芯片与PT100传感器构成一个测温系统。
实现对被测物进行实时的记录,实时数据采集与处理,并把数据显示在LCD屏幕和通过串行口进行输出。
本文分为六个章节,第一章主要是介绍温度测量的应用,第二章是对铂电阻的分类进行分析,第三章为铂电阻测温常用测温电路的分析,第四章介绍系统硬件的设计,第五章为PT100铂电阻软件部分的介绍,最后的第六章是软硬件的调试与测量。
经过调试,作品最终能够实现对温度的精确测量,对变化的温度有明确的感应,LCD液晶屏能负责显示当前温度值。
该系统按照要求达到相应的性能指标。
整个系统主要由主控芯片、显示屏、测温电路、ADC模块组成。
系统工作稳定,测量精度高,能实现远距离测量。
关键词:
单片机;温度计;传感器;监控
Abstract
Inindustrialprocesscontrol,temperaturemeasurementhasaverywiderangeofapplication,thustomastertherelevanttechnologyofthetemperaturemeasuringhasveryimportantsignificance.BasedonPT100temperaturetransmitteristheuseoftheplatinumresistancesensorasthedetector,singlechipmicrocomputerascontrolsystem,canrealizeserialtransmission,andusetheLCDdisplayshowstemperaturevalueofthetemperaturemeasuringsystem.Becausefoilresistancevalueissmall,sotheconnectionwireresistancecan'tbeignored,1thewireresistancewillgeneratetheerrorof5degreesCelsius,soweneedtodealwiththeresistanceofthewire,onesolutionistousethreewiresystembridgetypetemperaturemeasuringcircuitconnection.Themonitoringofthesystemissuitableforindustrialproduction.
ThispaperUSESmicrocontrollerchipAT89S52andPT100sensors,composedofatemperaturemeasurementsystem.Torealizereal-timerecordofthemeasuredreal-timedataacquisitionandprocessing,andthedataisdisplayedintheLCDscreenandoutputthroughtheserialport.Thisarticleisdividedintosixchapters,thefirstchaptermainlyintroducestheapplicationoftemperaturemeasurement,thesecondchapteristoanalyzetheclassificationofplatinumresistance,thethirdchapterofplatinumresistancetemperaturemeasurementcommonlyusedtemperaturemeasurementcircuitanalysis,thefourthchapterintroducesthesystemhardwaredesign,thefifthchapterofPT100platinumresistancesoftwarepartintroduction,finallythesixthchapteristhesoftwareandhardwaredebuggingandmeasurement.
Afterdebugging,theworkwilleventuallyrealizetheaccuratemeasurementoftemperature,thechangeoftemperaturewithclearinductionanddisplay,andcanbeinaccordancewiththerequirementsforthecorrespondingperformanceindex.Thewholesystemismainlycomposedofmaincontrolchip,display,temperaturemeasurementcircuit,ADCmodule.Systemworkingstability,highaccuracy,canrealizelongdistancemeasurement.
Keywords:
Microcontroller;Sensor;Thermometer;Detection
引言
在工业过程控制中,温度测量的应用非常广泛,因此掌握温度测量的相关技术具有非常重要的意义。
温度作为一个非常重要的物理参数,对温度控制和实时温度的检测直接影响到其产品的安全生产,很大的影响其产品的质量,也影响其生产的效率等,所以在工业生存的各个领域都到温度的影响。
以单片机为控制单位的测温系统广泛适用于工业现场,新的测温系统不单操作简单,还很直观,还比传统的仪器有更高的精度和量测。
市面上广泛用于工业生产的温度传感器有热电偶和热电阻。
目前,大量的数字式温度计充斥着消费市场,这也说明了数字式的温度计更为受人们的欢迎,相对于传统的水银温度计,数字式温度计拥有更好的精度和能长久工作的稳定性,这是传统的普通温度计所不能达到的。
使用微控芯片作为主要控制中心,热电阻作为感温元件是大部分数字式温度计的组成结构。
单片机在测温系统中能够大量的应用是因为其优异的性能,易于程序的编写,当然,最重要的一个因素是因为单片机的价格比较低廉,这也就使得其应用系统的快速发展。
为了完成这次的毕业设计,不只是需要单片机控制芯片和温度传感器,还有需要一个模数转换模块。
模数转换模块的主要功能就是把温度传感器输出的模拟信号转换为单片机能识别的数字信号,这样才能把整个系统完整的搭建出来。
但这里也出现了一个问题,那就是怎么去挑选一个适合的模数转换模块呢?
根据毕业设计题目的要求,温度计的测温误差不能超过1%,也就是最高的误差只能相差2摄氏度,所以需要选择一个高精度的模数转换,这在下面章节有更具体的介绍。
本文介绍了基于PT100测温元件的温度测量系统。
系统中使用PT100铂电阻作为测温元件,AT89S52微控芯片,TLC2543模/数转换芯片,LCD1602液晶屏幕,RS232串口模块组成的测温系统,测温系统不仅对温度有着很高的精度,还能实现远距离测温,原因是其测温电路中使用的三线制电桥连接方法,三线制的连接方案能够很大程度上消除连接电缆中的电阻对单片机系统带来的测温误差,保证了远距离测温的准确。
本系统实现了对实时温度的测量和显示,该系统有操作简便,测量精准,稳定可靠,可与上位机通信等特点。
1温度测量的应用
1.1测温应用的发展
温度的测量是一项比较成熟的技术,温度敏感元件有热敏电阻、热电阻、热电偶这些传统的传感器,也有有集成温度传感器、数字温度这种现代的传感器,还有超高温的光学温度传感器。
其中热电阻传感器有着较大的测量范围、性能非常稳定、较高的精度、高速的反应速度、易于安装和使用的特点,在中等温度和低温测量中占有主导地位。
由于在温度测试中,感温元件的输出关系与实际温度值不完全是线性的,这就很不利于温度监控。
热电阻在实际使用中常使用桥式测量线路作为解决方案,热电阻的线性化处理是测温精准的前提。
由于在引线中存在电阻,引线中的电阻会随温度变化会产生相当大的误差,况且对数据进行线性化处理非常繁琐,况且也对误差的修正效果较低,还有另一种方案是使用正反馈法,但这种方案对非线性引起的误差也没有很好的修正。
随着科学技术的不断进步与发展,科学家在传统温度敏感元件的基础上对测温传感器进行改良,使得温度传感器发展出许多的种类。
其中数字温度传感器比较适用于单片机接口组成的自动温度控制系统,温度控制系统具有可以克服模拟传感器的非线性特性,对非线性的数据进行修正,所以这种数字式感温元件普遍应用在产品生产和企业监控的测温装置中。
本文阐述了一种以Pt100铂电阻为核心测温元件的线性传感测温装置,这个感温元件在单片机的控制下,可以精确测出由温度变化而引起的电阻值,然后再对热电阻的值进行线性修正后得出真实的温度值,而后由LCD液晶屏显示和串行通信端输出,构成了能实际应用的测温系统,实现热电阻在0~200摄氏度范围的测量,并可以得到了很高的测量精度。
1.2单片机应用的发展
自动化监控系统已经越来越多的参与到计算机控制领域,自动控制系统正在由各类控制仪表慢慢地走向智能和集成发展道路,涌现出大量智能控制仪表。
单片机应用已经适用于人们生活的每个地方,智能控制已经对我们生活在产生巨大的影响。
智能化控制不单使以智能元件的智能仪表取代了过去的分立自动控制仪表,而且在性能上也有了很大的提高。
智能仪表可实现直接数字化输出,并能进行现场总线的相连,实现真正意义上的智能化和数字化,配合工业PC操作系统使用,使其在工业控制领域发挥了极其重要的作用,这也是为工业产品生成量提供的有利保障。
所以温度控制的智能化是未来社会的趋势。
1.3基于单片机的温度测量系统
采用单片机的温度控制系统可以对其温度进行实时的监控,单片机控制LCD1602显示模块进行温度的显示,直接简洁的告知观察者被测物的实时温度。
单片机还可以对其温度进行单位的转换,以适用于不同地区对温度单位的不同要求。
该系统还可以通过串行输出接口与计算机系统连接通信,一台计算机可以连接多个测温模块,这就为了实现远距离测控和多点测控提供了方便。
这种智能化仪器的发展,可以在工业生产中起到重要的作用,为工厂实现无人管理,智能化管理提供了可能性。
2热电式传感器的分类
2.1热电阻型传感器
电阻式测温系统是根据热电阻材料的电阻率会因温度变化而变化的的特性所构成。
金属热电阻是以热敏元件的纯金属所制成的热电阻,半导体热敏电阻是以半导体材料制作的热电阻。
下面来介绍金属型热电阻的特性:
2.1.1金属热电阻
根据金属导体的电阻值的特性是会随温度的增加而增加,我们就可以利用这一特性来进行温度检测制作出金属热电阻测温。
金属热电阻的特点是测量精度较高,有着稳定性能。
大部分的热电阻采用纯金属制造,当前使用较多的是铂和铜,进来还开始采用锰和铑材料开始制造热电阻。
金属热电阻经常使用的感温材料不少,最多的是使用铂金属丝。
工业测温除了经常使用的金属铂丝外,也有镍、镍和铁等。
温度的变化能引起的导体金属电阻的变化,为其特性方程为式(2.1):
Ry=Rx(1+αt+βt**2+…)(2.1)
方程式中的Ry是t℃时的电阻,0℃的电阻为和Rx;导体中电阻值的温度系数是α、β。
其中很大部分的金属导体,α、β是不定量,而不是一个常数。
但是一定温度的范围内,α和β是可以看作为一个常数。
不同的金属导体,不同温度的范围对应着不同的α、β等保持常数。
①α越大,热电阻的反应速度越高,α在合金中没有在纯金属中那么高,所以纯金属材料常被选取作为感温元件。
②在一段特定的温度区间中,α是常数,易于实现温度计线性度的特征。
③在一定的温度区间内,α要保持恒定,直观的表示出良好的线性特点。
④电阻率较大,为了减少元素的大小,以减少热惯量。
⑤特性复现性好,容易复制。
铂、铜、铁等比较适合以上条件。
在以上各种类热电阻中,铂的性质非常稳定,是当前制造热电阻的材料中较好的一种。
工业测温一般使用的是铂电阻。
铂电阻也主要应用为标准的温度计,普遍地适用于温度测量。
铂电阻在长时间工作时有稳定的复现性。
在实际应用的温标中,在-258℃到629℃范围内,常把铂电阻作为的温度基础标准。
2.1.2铂电阻的优点与不足
铂电阻测温元件的优点包括:
精度高、低漂移、工作电压范围宽、适合精密应用。
铂电阻的不足:
热电阻在工业应用很少超过660°C。
在温度高于660℃下它变得越来越难,因为很难防止铂电阻在高温时混入其他杂质。
在极低的温度,例如-270°C,因为有极少数的声子,因为RTD的电阻主要由分子的边缘扩散运动而产生阻值的变化,所以在超低温状态下阻值基本上与温度无关。
以至于铂电阻的灵敏度基本上是零,因此不适用。
相对于热敏电阻,温度的变化对它影响较小,不那么敏感,具有较慢的反应速度。
然而,热敏电阻器具有更小的温度范围和稳定。
在使用铂电阻测温的时候通常会遇到有误差的情况,引起误差的原因有下列几个:
•引线电阻所产生的误差:
因为不使用4线或3线测量而发生的误差,因为铂热电阻的温度系数较小,当引线电阻的引入时就会大大影响了测量的结果。
•自供暖误差:
由铂电阻元件自身的发热的所产生的误差。
•时间响应引起的误差:
误差是在温度瞬变时产生的,因为铂电阻不能及时响应,电阻改变速度不够快而产生的误差。
•热电动势:
热电动势错误是由在电磁场所产生的感应电压而产生的误差。
2.2铂电阻在温度测量的应用
铂电阻的电阻值和温度两者的关系能够使用方程来表示,公式为
Ry=Rx(1+At+Bt^2),0℃≤t≤650℃(2.2)
Ry=Rx[(1+At+Bt^2+C(t-100)t^3],-200℃≤t≤0℃(2.3)
在式(2.2)和(2.3)中,t℃时的电阻为Ry,而当0℃时的电阻分别为Rx;常数A、B、C是经过实验测量出来的,与W(100)有直接关系;当测量的温度范围不是非常大时,A、B、C基本是线性的。
(2.2)式中铂电阻常用的W(100)为1.391
A=3.96847×l0^-3/℃
B=-5.847×10^-7/℃
C=-4.22×10^-12/℃
从公式中可以看出,用于温度在-200℃至+650℃范围之间的温度测量大多选用铂电阻。
铂热电阻具有适用范围广、测温范围较大、高稳定性和重复性等优点,其价格低廉的使用方便也是它作为常用测温元件的主要原因。
铂电阻作为现代工业和实验测温设备中很普遍的传感元件。
工业铂热电阻温度计的适用温度区域是-200~+650℃。
在许多的智能仪表中,对于使用铂电阻的测温应用中,典型的方案是采用不平衡电桥把铂电阻随温度变化的电信号先输出,然后通过运放电路后连接A/D转换模块,把数据送入单片机进行计算。
2.3铂热电阻的线性度分析
根据IEC751标准,式(2.4)为铂电阻的温度系统表达式,T=0.003851,PT100的R=100欧姆
T=(R100-R0)/(R*100)(2.4)
既,Pt100温度传感器零度阻值为100,当100摄氏度时,阻值为138.51欧,电阻的变化率为0.3851。
目前精度最高的传感器是铂电阻温度传感器。
Pt100温度特性曲线
如图所示。
下面是Pt100的阻值与温度的关系。
图2-1铂电阻与温度的关系
在设计铂电阻测温电路时,尤其要注意的是,当流经Pt100铂电阻的电路达到2mA时,其本身的发热量足以干扰其测量精度,一般取其流经Pt100的电流为1~1.25mA左右以满足精度。
Pt100则须流经更小的电流才不会发生本身的发热量干扰其测量精度的情况。
在0~+650范围内,温度T时的阻值R表达式如(2.5):
(2.5)
可以从公式中看以到,Pt100在100~200摄氏度呈良好线性关系,斜率(0.13851-100)/(100)=0.13851。
当测量到这段温度范围内时,即可选择这个斜率常数对电阻值进行计算,最终得到相应的温度。
本次毕业设计的设计指标为0~200摄氏度的测量,由上面所示,在0~200摄氏度中,铂热电阻的拥有很高的线性度和精度。
所以使用PT100作为测温传感器是正确的,这就可以为后边的单片机对数据的处理。
3PT100测温电桥
3.1铂热电阻测温的基本电路
使用铂电阻进行的测温系统中,最普遍的是不平衡电桥。
由于热电阻的阻值比较小,所以连接导线的电阻值不可能忽视,对50欧的测温电路,1欧的导线电阻就会产生5摄氏度的误差,为了消除导线电阻的影响,所以要介绍下电阻式传感器电路的接法。
热电阻感温元件的测温电路有两线式测量、三线式测量和四线式测量三种连接方式。
分别介绍如下:
3.1.1铂电阻测温电桥的两线连接法
图3-1两线制连接法
这是最简单的电阻温度计电路使用两条线。
这时的测温精度并不高,因为连接导线的电阻会被添加到该传感器上,从而导致测量误差。
这个方案有着很严重的误差问题,由于没对引线中的电阻值进行分析,所以在连接了模数转换模块的时间,该模块也会吧引线电阻带来的影响一起转换,造成很高的测温误差。
所以,这种方案只能适用于很短距离的测温应用。
3.1.2铂电阻测温电桥的三线连接法
图3-2三线制连接法
为了尽量减少导线电阻的影响,可以用一个三线配置。
三线的配置要求是采用三线的长度和横截面面积相同的导线作为引线,采取不平衡电桥作为测量电路去测量铂电阻,铂电阻作为桥臂,将导致一端连接到电源端桥,电桥的两个相邻的桥臂的分别连接到其铂电阻的两端,当电桥的平衡,通过对铂电阻丝电阻的计算,引线的电阻变化的没有对测量结果产生影响。
这种方案虽然减小了导线中电阻的影响,但它需要使用全等臂电桥来控制导线电阻的影响,否则不能彻底消除所带来的误差。
根据公式计算可知,使用这种结构能很好的减小引线所带来的干扰。
这个方案的连接方式有对A/D的采样进行了补偿,采用这种连接方式大大减小由连接的线缆带来对测量温度的影响,此方案常用于更长距离的温度测量,允许高达600米的线缆。
工业上一般都采用三线制接法。
3.1.3铂电阻测温电桥的四线连接法
图3-3四线制连接法
四线热电阻测温电路增加被测电阻的精度和可靠性,减小导线阻值对测温的影响。
四线Kelvin连接法,这种方案采用两条导线提供恒流,另外两根电缆用来检测未知的电压信号,在较大输入阻抗的情况下,几乎没有电流通过电压表。
采取这样的原理就可以相对准确的测量电阻的电压降,从而计算得出温度值。
它完全的减小了寄生电阻的影响,可以消除高达15Ω电缆电阻。
此方案不仅提高了A/D采样精准度,还为ADC进行了补偿,使得能够大大保证了温度测量的精准度,应用在非常远的测温场合。
3.2铂热电阻实用测温电路
图3-4为单电源铂电阻测温电路,其原理是运算放大器U1A把TL431输出的电压转换成恒定电流源,恒定的电流流过铂电阻,产生的电压降再通过运放U1B将这个很低的电压信号进行放大(10倍的放大系数),输出电压信号,然后将信号通过一个低通滤波器,可直接与AD转换芯片连接。
根据运放的虚地概念“理想运放在线性范围内工作时,两个输入端电位相同”。
假设运算放放U1A的输出脚1对地电压为Vo,根据运算放大器虚断的概念,(0-V)/R1+(Vo-V-)/R=0,这时铂热电阻上的电压降Vout=Vo-V-=V-*Rpt100/R1,由于R1是恒定的,V-也是常数,所以图中框内可以近视为类似恒定电流源流过一个铂电阻,电流大小为4096mA/3.3k,它自己变化的电阻值直接影响铂电阻上产生的电压。
图3-4单电源铂电阻测温电路
设计及调试时需要注意的地方:
1.采用TL431可以实现上图的电压。
2.根据测试,当电流大于1.5毫安,Pt100将有较明显的发热。
所以等效恒流源输出的电流不能太大,为了避免较大电流使得Pt100电阻产生发热现象而导致测温值的不准确。
3.运放需要采用±5V双电源供电。
如果是单5V供电,测量的温度有可能波动比较大,所以需要把将运放的供电改为±5V双电源。
4.电阻R2、R3的电阻值一定要足够大,以增大运算放大器的输入阻抗。
图3-51.25mA恒流源电路
图3-4的工作原理是:
恒定电流源的电流流经铂热电阻PT100产生电压降,测量PT100上的电压降而得到温度信号。
所以采用一个稳定的恒流源是非常重要的。
图3-5所示的电路是一个1.25mA恒流源电路,该恒流源广泛应用于Pt100测温电路。
图中的TL431提供2.5伏基准电压,这个这个运放输出端的电阻Ri的大小与2.5伏一起确定了最终的电流值大小。
即,电流源输出电流的大小可以由Ri调整。
因为这个电路能够输出很大的功率,且Pt100传感器不是在反馈放大电路中,这就有确保电路性能的稳定,因而这个恒流源被广泛应用于Pt100测温电路中。
其计算公式为(3.3):
若R=100kΩ,较大电阻,则
(3.1)
所以恒流源的输出为:
(3.2)
(3.3)
但因为在测温时,热电阻测温设备远离计算机。
所以较长的导线就可以很容易引进严重干扰。
而这些引线所带来的电阻值就会并加在热电阻测温电路上,这就是因引线过长而产生误差。
采用加通信方式把智能设备与传感器远距离连接是其中的一种解决方案。
当然,还有采用双恒流源三线的连接方法。
图3-6双恒流源三线制测温电路
图3-6为双恒流源三线制铂电阻测温电路,把1.25毫安的电流提供给铂电阻和100Ω这两个电阻,铂电阻两端采用材料相同且相等长度的导线,热电阻的两条引线分别连接恒定电流源,另一条辅助线接地,这就形成了三线制的连接。
之后连接的电路采用的是39倍差分放大电路,使其在0至100摄氏度的温度变化时,输出端的电压在0至1.9伏之间变化,并且导线中电阻的影响也大部分被消除。
当温度是0摄氏度时,铂电阻的电阻值为100Ω,运放器的输出电压为零。
当温度发生改变时,铂电阻的电阻值发生变化,产生的电压降被差分放大器放大。
之后经过由U1B所组成的电压跟随器,再将信号通过电阻与电容搭建的低通滤波器,低通滤波器把打扰信号过滤,剩下的就是此时的温度的信号,这个信号就供给后面的模数转换模块使用。
在这种方案中,测温设备的引线能够很长,而且能较好的测量出真实的测温值。
4系统硬件电路的设计
4.1硬件电路的构成
硬件电路由PT100传感器、测温电路、模/数转换单位、单片机控制单元、串行输出单元、LCD液晶屏显示单元组成。
系统结构框图如4-1所示:
图4-1主程序流程图
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