基于PT100热电阻的具有无线传输功能的温度变送器硬件设计.docx

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基于PT100热电阻的具有无线传输功能的温度变送器硬件设计

基于PT100热电阻的具有无线传输功能的温度变送器硬件设计

摘要

本课题是基于PT100热电阻的具有无线传输功能的温度变送器硬件设计。

以ADC0809，80C52单片机系统和NRF905无线通讯为核心，采用模拟温度传感器PT100对温度进行检测；采用串行型模数转换器ADC0809进行A/D转换，把信号调解转换为电压信号，80C52单片机接口设置LED八段数码管实时显示温度值，将变换后的代表测量温度的电流值以无线方式进行传输。

当检测到的温度值超高最大值或者小于最小值时，声光报警器报警。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

本设计包括温度传感器，A/D转换模块，数据传输模块，温度显示模块以及无线发送接受模块五个部分。

通过对各个模块的功能分析，得出了该系统的设计方案，从软硬件两方面对系统进行了详细描述，最后通过对系统的反复调试与分析，验证了系统的功能。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

关键词单片机，PT100热电阻，ADC0809，NRF905，温度检测

ABSTRACT

　　ThistopicisbasedonthePT100resistancetemperaturetransmitterwithwirelesstransmissionfunctionsofhardwaredesign.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

　　ADC080980C52microcontrollersystemwithNRF905wirelesscommunicationasthecore.SimulatedPT100temperaturesensortotesttheonly;TypeserialadcADC0809forA/Dconversion,thesignalsmediationisconvertedintoAvoltagesignal，80C52microcontrollerinterfaceseteightdigitaltubeLEDreal-timedisplaytemperatureandwilltransformtherepresentativesofthemeasuringtemperatureofcurrentvaluetransmittedwirelessly.Hightemperaturevaluedetectedbythemaximumvalueorsmallerthantheminimumvalue，Soundandlightalarmalarm.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

　　Thisdesignincludingtemperaturesensor,A/Dconversionmodule,datatransmissionmodules,temperaturedisplaymoduleandwirelesstransmissionmoduleoffiveparts.Throughanalysisofthefunctionofeachmodule，Resultsofthesystemdesign,frombothhardwareandsoftwareaspectsofthesystemaredescribedindetail,Finally,throughrepeatedtestingandanalysissystemtoverifythefunctionalityofthesystem.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

Keywordsmicrocontroller，PT100resistance，ADC0808，NRF905，Temperaturedetection謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

2.1.2模数转换器选型4

2.1.3显示方案确定4

2.2.温度信号的获取与放大5

2.8.2.2外部时钟电路18

2.9NRF905无线收发模块设计22

3.2.3键盘管理31

前言

随着科学技术的突飞猛进，温度检测技术也得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求也越来越迫切。

温度检测以及收发控制技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。

因此，了解并掌握各类检测技术的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

由于检测的对象包括各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等干扰因素。

温度采集与处理技术主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。

因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得温度变送器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求。

为了提高对温度变送器/传感器的认识和了解，尤其是对温度变送器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。

渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控及无线收发系统。

文中用于温度信号采集及放大模块，A/D转换，数据传输，LED显示，NRF905无线收发模块，都与实际应用密切结合，本文详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现无线发送的原理过程。

课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过LED显示并且无线传输，实施温度监控，并且有报警功能。

设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。

本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块，数据传输模块，温度显示模块和无线收发模块五个部分。

文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。

整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题的要求。

铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

第1章绪论

本章主要介绍了该设计基本原理，整体方案的设计，然后细化到每个模块的方案选择，最后根据设计方案进行了整个论文的章节安排。

擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

1.1课题背景

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

无论你是生活在哪里，或者从事什么工作，无时无刻不在与温度打交道。

自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。

在冶金，钢铁，石化，水泥，玻璃，医药等等行业，可以说几乎80％的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

在工业以及各种民用领域，测温装置广泛使用。

过去，它们常常独立工作。

现在，随着网络化技术的发展，人们越来越需要从远程获取温度信号，以提高系统整体上的监控能力以及全局管理水平。

温度信号所需传输的距离越来越长，数据的实时性，可靠性，安全性都要有所保证。

现场总线技术作为一种专为工作在恶劣环境的现场装置进行数据交换的数字通信技术，已被广泛应用于具有温度变送器/传感器的网络。

坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

在当今的传感器领域，温度传感器正朝着多功能，总线标准化，高可靠性及安全性，高精度，发展。

目前主要有单点和多点两种温度测量仪器表。

对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻，热电偶等传感器的测量精度高，测量范围广，而得到了普遍的应用。

此种产品测温范围大都在－200～800摄氏度之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001～0.01之间。

自带LED显示模块，有的还有存储功能，可存储几百到几千组数据。

该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。

多点温度测量仪表，相对与单点的测温精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测温，但价格昂贵。

蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

本课题以PT100热电阻为温度检测元件，设计一个具有无线传输功能的温度变送器。

第2章硬件设计

2.1单片机转换器选型

　　根据题目要求系统可以分为以下几个模块：

温度获取与放大模块，A/D转换模块，温度显示模块，键盘控制模块，声光报警模块和无线传输模块。

系统的基本框图如图2-1所示　買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

图2－1系统的总结构框图

温度传感器将采集的信号放大再通过A/D转换后传输给核心控制器也就是单片机。

单片机运算后通过LED显示温度值，再通过键盘电路更改显示温度的上下限值，当温度低于下限或高于上限温度值时启用声光报警系统，将正常范围内的温度值通过NRF905进行无线传输綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

2.1.1单片机选型

MCS-51单片机系列简介：

在HOMS技术大发展的背景下,INTEL公司在MCS-48系列的基础上于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。

它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。

较早的MCS-51典型时钟为12MHz，而目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。

驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序存储器。

8051为4KBrom，8751为4KBEEPROM，8031片内无程序存储器，8951为4KBEEPROM。

其他性能结构一样，有片内128BRAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。

其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。

猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品[]，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

又考虑到单片机的存储空间与价格，以及我对单片机的熟悉程度，课本学习的是80C5x系列单片机，因此，此次设计我选用了80c52单片机来完成此次设计。

構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

2.1.2模数转换器选型

A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度。

由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用8位串行A/D转换器ADC0809.ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

2.1.3显示方案确定

当前常用的有液晶显示和数码管显示两种方法。

液晶显示功能强大，不但可以显示数字字符，德文，发文，点阵显示，还可以显示全部国标汉字，但是也存在与单片机连接时接口电路驱动复杂；显示亮度低，不利于观察；编程困难；成本高等缺陷。

尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

该设计的温度测量只要求显示数字，而且需要考虑到能耗尽量少等问题，数码管内部元件比较简单，耗能相对较低，所以选择了数码管显示。

不但硬件电路简单，造价低廉，而且数码管亮度高，利于我们的观察读数。

识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

2.2温度信号的获取与放大

本系统以PT100为温度传感器获取温度信号，以放大器LM741为信号放大器。

2.2.1.元件介绍

　　　pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

　　　它的工作原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。

但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

　　　铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：

　　　-200

0≤t<850℃Rt=R0（1+At+Bt2）（2－2）硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

　　　Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。

公式中的A,B,系数为实验测定。

这里给出标准的

　　　DINIEC751系数：

A=3.9083E-3、B=-5.775E-7、C=-4.183E-12阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

　　　根据韦达公式求得阻值大于等于100欧姆的Rt-〉t的换算公式：

　　　0≤t<850℃t=（sqrt（（A*R0）^2-4*B*R0*（R0-Rt））-A*R0）/2/B/R0（2－3）氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

　　　PT100温度感测器是一种以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro（1+αT）　其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。

釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

　　　1：

Vo=2.55mA×100（1+0.00392T）=0.255+T/1000。

（2－4）怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

2：

量测Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。

电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射（集极）极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。

其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。

6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。

其后差动放大器之输出为Vo=10（V2-V1）=10（2.55+T/100-2.55）=T/10,如果现在室温为25℃,则输出电压为2.5V。

谚辞調担鈧谄动禪泻類。

表2-2Pt100热电阻分度

温度

℃

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

电阻值（Ω）

-40

-30

-20

-10

0

84.27

88.22

92.16

96.09

100.00

83.87

87.83

91.77

95.69

99.61

83.48

87.43

91.37

95.30

99.22

83.08

87.04

90.98

94.91

98.83

82.69

86.64

90.59

94.52

98.44

82.29

86.25

90.19

94.12

98.04

81.89

85.85

89.80

93.73

97.65

81.50

85.46

89.40

93.34

97.26

81.10

85.06

89.01

92.95

96.87

80.70

84.67

88.62

92.55

96.48

0

10

20

30

40

100.00

103.90

107.79

111.67

115.54

100.39

104.29

108.18

112.06

115.93

100.78

104.68

108.57

112.45

116.31

101.17

105.07

108.96

112.83

116.70

101.56

105.46

109.35

113.22

117.08

101.95

105.85

109.73

113.61

117.47

102.34

106.24

110.12

114.00

117.86

102.73

106.63

110.51

114.38

118.24

103.12

107.02

110.90

114.77

118.63

103.51

107.40

111.29

115.15

119.01

50

60

70

80

90

119.40

123.24

127.08

130.90

134.71

119.78

123.63

127.46

131.28

135.09

120.17

124.01

127.84

131.66

135.47

120.55

124.39

128.22

132.04

135.85

120.94

124.78

128.61

132.42

136.23

121.32

125.16

128.99

132.80

136.61

121.71

125.54

129.37

133.18

136.99

122.09

125.93

129.75

133.57

137.37

122.47

126.31

130.13

133.95

137.75

122.86

126.69

130.52

134.33

138.13

100

110

120

130

140

138.51

142.29

146.07

149.83

153.58

138.88

142.67

146.44

150.21

153.96

139.26

143.05

146.82

150.58

154.33

139.64

143.43

147.20

150.96

154.71

140.02

143.80

147.57

151.33

155.08

140.40

144.18

147.95

151.71

155.46

140.78

144.56

148.33

152.08

155.83

141.16

144.94

148.70

152.46

156.20

141.54

145.31

149.08

152.83

156.58

141.91

145.69

149.46

153.21

156.95

150

160

170

180

190

157.33

161.05

164.77

168.48

172.17

157.70

161.43

165.14

168.85

172.54

158.07

161.80

165.51

169.22

172.91

158.45

162.17

165.89

169.59

173.28

158.82

162.54

166.26

169.96

173.65

159.19

162.91

166.63

170.33

174.02

159.56

163.29

167.00

170.70

174.38

159.94

163.66

167.37

171.07

174.75

160.31

164.03

167.74

171.43

175.12

160.68

164.40

168.11

171.80

175.49

200

210

220

230

240

175.86

179.53

183.19

186.84

190.47

176.22

179.89

183.55

187.20

190.84

176.59

180.26

183.92

187.56

191.20

176.96

180.63

184.28

187.93

191.56

177.33

180.99

184.65

188.29

191.92

177.69

181.36

185.01

188.66

192.29

178.06

181.72

185.38

189.02

192.65

178.43

182.09

185.74

189.38

193.01

178.79

182.46

186.11

189.75

193.37

179.16

182.82

186.47

190.11

193.74

2.3放大电路设计

热电阻测温是基于金属导体的电阻随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器LM741的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。

电路原理图嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

图2－3信号的采集与放大电路

对信号放大，我们使用了低价格，高精度的仪器放大器LM741，它运用方便，可以通过外接电阻方便的进行各种增益（1－1000）的调整。

熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

2.4模数转换电路设计

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。

ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

2－4ADC0808管脚图

各引脚功能如下：

1～5和26～28（IN0～IN7）：

8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：

8位数字量输出端。

22（ALE）：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

6（START）：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

7（EOC）：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

9（OE）：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

10（CLK）：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

通常使用50KHZ

12（VREF（+））和16（VREF（-））：

参考电压输入端

11（Vcc）：

主电源输入端。

13（GND）：

地。

23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

表2－5通道选择

C

B

A

选择通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

ADC0808应注意事项：

1，ADC0808内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连；2，初始化时，使ST和OE信号全为低电平；3，送要转换的哪一通道的地址到ABC端口上；4，在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号；5，是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断；6，当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

极限参数

电源电压（Vcc）：

6.5V

控制端输入电压：

-0.3V～15V

其它输入和输出端电压：

-0.3V～Vcc+0.3V

贮存温度：

-65℃～+150℃

功耗（T=+25℃）：

875mW

引线焊接温度：

①气相焊接（60s）：

215℃；②红外焊接（15s）：

220℃