基于Pt100测温系统的设计资料.docx

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基于Pt100测温系统的设计资料

基于Pt100测温系统的设计

学生学号：

0xx

学生姓名：

xx

专业班级：

xx

指导教师：

xx

职称：

xx

起止日期：

2011.0328～2011.04.15

xiiiiiii

2011年硬件课程设计任务书

一、设计题目：

基于C8051F410的热电阻测温仪表的设计

二、设计目的:

1．熟悉KeiluVision开发软件及Protel电路设计设计软件的使用。

2.掌握C8051F410单片机体系结构及C语言程序设计方法。

3．掌握热电阻测量的三线制原理及信号调理电路的设计。

4.掌握智能测量系统的校准原理。

三、设计任务及要求

1．学习C8051F410单片机体系结构及程序开发。

2．设计热电阻测温电路，并应用Protel画出其电路原理图。

3．完成C8051F410的热电阻测温系统的焊装和硬件调试。

4.编写完整的实验程序，进行整机调试。

5.撰写设计说明书。

四、设计时间及进度安排

设计时间共三周,具体安排如下表：

周次

设计内容

设计时间

第一周

1．学习C8051F410单片机体系结构及程序开发；

2．设计热电阻测温电路，并应用Protel画出其电路原理图。

第二周

1．完成C8051F410的热电阻测温系统的焊装和硬件调试；

2.编写实验程序。

第三周

1.整机调试；

2.撰写设计说明书；

3.答辩。

四、考核内容

1．出勤、学习态度以及纪律情况；

2．设计完成情况及设计说明书完成质量；

3．答辩。

综合以上考核内容给出硬件课程设计总评成绩。

摘要IV

第一章概述1

第二章设计方案及原理2

2.1传感器的选择2

2.2OP07的选择2

2.3方案论证3

2.4基本工作原理3

2.5整体方案设计3

2.5.1系统工作流图3

2.5.2热电阻的工作原理4

2.5.3热电阻的信号连接方式4

第三章总体设计6

3.1温度采集及信号处理模块6

3.1.1采集模块6

3.2数码管显示电路8

第四章核心部件10

4.1C8051F410概述10

4.2I/O设备11

4.2.1端口简介11

4.3A/D11

4.3.112位ADC简介11

4.4定时器11

4.4.1简介11

第五章系统电源12

5.1电源模块12

第六章软件部分14

6.1编程软件14

6.2编程语言16

6.2.1C语言发展沿革16

6.2.2C语言特点16

6.3程序流程图17

6.4关键程序18

6.5硬件和软件调试18

6.5.1硬件出现的问题18

6.5.2软件调试出现的问题18

6.5.3软件调试结果19

第七章结束语20

主要技术要求21

参考文献22

附录（Ⅰ）程序23

附录（Ⅱ）整体电路图31

摘要

本文首先简要介绍了铂电阻PT100的特性以及测温的方法，在此基础上阐述了基于PT100的温度测量系统设计。

在本设计中，是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。

另外，还设计了LED数码管显示电路，能实现对温度的显示。

本设计采用了三线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在0℃～100℃范围内达到±0.5℃。

本文采用C8051F410单片机，OP07放大器，铂电阻PT100及4位数码管组成系统，编写了相应的软件程序,使其实现温度的显示。

该系统的特点是：

使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广,稍加改动之后应用会更加广泛。

关键字：

Pt100热电阻；OP07运放；信号采集A/D；C8051F410单片机；温度测量；数码管显示；电源

第一章概述

随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

温度是日常生活中最常见的物理量，从工业、农业、生活等各个技术领域都离不开测温和控温，温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。

由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生随着现代电子技术的发展，对温度的测控技术提出了更高的要求。

而实验证明：

Pt100热电阻是稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至850℃的范围，测量精度高，可用作标准仪器，广泛用于生产过程各种介质的温度测量，在医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛，所以利用Pt100热电阻设计的温度测量系统具有很实际有很重要的意义，对以后温度测量系统的设计和发展起到一定的推动作用。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感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。

本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。

文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用Pt100热电阻作为温度传感器来测量实时的温度。

第二章设计方案及原理

2.1传感器的选择

温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。

在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。

常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。

近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。

热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。

常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。

热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。

目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。

由于本设计的任务是要求测量的范围为0℃～100℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，该传感器的测温范围从－200℃～＋850℃。

2.2OP07的选择

Op07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

宽的输入电压范围（最少±13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。

失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。

不加外调零措施的OP07的精度和稳定性，即使在高增益下也能使OP07成为一种新的仪器用和军用的工业标准。

OP07A和OP07适用于在-55℃到+125℃的整个军用范围内。

2.3方案论证

温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。

方案一：

采用模拟分立元件

如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。

方案二：

采用温度传感器  

通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LED显示温度。

热电阻也是最常用的一种温度传感器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃～850℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻Pt100作为传感器。

该方案采用热电阻Pt100做为温度传感器、OP07作为信号放大器，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。

相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。

在这里我选用方案二完成本次设计。

2.4基本工作原理

Pt100铂热电阻的阻值随着温度的变化而变化，利用这一特点来采集温度信号，利用恒流源测电压方法将采集到的信号转换成电压信号；再经过A／D转换成数字信号并由单片机系统读取；单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后再由LED数码管显示输出温度值。

2.5整体方案设计

2.5.1系统工作流图

本设计设计的温度监测系统是把热电阻信号通过传感器检测转变为电压信号，经过信号采集电路转换成A/D输入的标准信号。

之后A/D将模拟电压信号变转换成数字信号，然后送入单片机（MCU）进行处理和运算，单片机将处理的数据通过LED数码管显示。

整体方案设计流图如图2-1所示。

图2-1整体方案设计图

2.5.2热电阻的工作原理

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

作为热电阻的金属材料一般要求：

尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：

铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt0[1+α（t-t0）]式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

中国最常用的铂热电阻有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。

其中Pt100、Cu100和Cu50的应用最为广泛。

2.5.3热电阻的信号连接方式

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

目前热电阻的引线主要有三种方式：

1、二线制：

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：

这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

2、三线制：

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

3、四线制：

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

热电阻采用三线制接法。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。

这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。

采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差

第三章总体设计

本设计的电路主要由电源模块（第五章介绍）、温度采集及信号调理模块、A/D模数转换模块、单片机最小系统。

具体电路和工作原理下面一一介绍。

3.1温度采集及信号处理模块

3.1.1采集模块

热电阻的阻值随温度的变化而变化，所以我们可以把热电阻的阻值变化转换成相应的电压信号，然后经过后续的放大电路将采集到的电压放大到一定倍数，被A/D采集并输入到单片机内部。

由于在实验室中恒流发生电路比较简单常用，而且电压信号采集简单、测量方便，所以本设计采用恒流源测电压方法实现热电阻和电压信号的对应关系。

恒流源电路可以产生1mA恒定电流，把热电阻Rt的阻值转换为电压信号Uo（Uo=Rt*1mA），如图3-1所示。

电压放大电路主要是把电压信号放大一定的倍数，能被A/D比较精确地采集到。

图3-1温度采集及信号处理电路

第一部分恒流源发生电路如图3-1（a）所示：

图3-1（a）恒流源发生电路

1）LM336-2.5稳压管：

稳压作用，将放大器3脚电压钳制到2.5V左右；

2）R12（2.4K）电阻：

根据“虚断”原理，U3=U2，I=2.5V/2.4K=1mA；

3）9012复合三极管：

又叫达林顿管，将β系数放大，即β=β2，使达林顿

管集电极和发射极电流相等，即Ic=βIb=I，从而大大减小Ib的值；

4）R14（10K）电阻：

保护前端放大器作用，防止Ib过大，进入运放6脚；

第二部分三线制处理及输出放大如图3-2（b）所示：

图3-1（b）三线制处理及输出放大电路

1）200Ω电位器代替Pt100，实验时将电位器调整至100Ω阻值；

2）R17、R20、R23：

理论上代替三根传输导线，令R17后面的电压为U1，R20后

面的电压为U2，R17=R20=R23=R'；所以

U1=I*（R17+Rt+R23）=I*Rt+2*R'……（3.1.1）

U2=U3=I*R'……（3.1.2）

根据方程（3.1.1）-2*（3.1.2）U1-2*U2=I*Rt……（3.1.3）

从而推出放大器输入端信号与导线电阻无关（三线制最终目的）

3）后端运放：

根据“虚短”原理可以得出

U+=U-=U1*R13/（R16+R13）=U1/3

……（3.1.4）

（Uo/（R19+R24）-U-）/R22=（U--U2）/R21……（3.1.5）

经（3.1.4）（3.1.5）带入数据整理得：

Uo=11（U1-2*U2）……（3.1.6）

从而实现信号电压放大十倍的作用

3.2数码管显示电路

本设计显示电路是由8段共阳极数码管（4个），三极管（4个9012），电阻（4个1K，8个200Ω），电源（+5V）几部分构成。

具体电路如图3-2所示：

图3-2数码管显示电路

电路分析：

1）1K电阻：

分别接到单片机P2.3、P2.4、P2.5、P2.6口上，并对PNP三极管起到限流保护作用；

2）三极管：

4个三极管均为PNP型号，基极接I/O口，发射极接电源，数码管COM口接在三极管集电极上，

当I/O给一个低电平，三极管基极电压为低，发射极电压为高，使三极管导通，为数码管提供电压；

3）200Ω电阻：

接到数码管的8个段位上，起到限流保护作用；

4）数码管：

当P0.x信号为低时，P2.x为低，对应数码管对应的段位呈现亮的状态，反之则不亮。

工作原理：

数码管采用动态扫描工作方式，动态显示是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,h"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，本设计分别接到P2.3、P2.4、P2.5、P2.6，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

第四章核心部件

本设计以C8051F410单片机为CPU设计的测温系统，主要涉及的部件有基准电源、系统时钟、I/O设备、A/D转换。

下面简单的介绍一下C8051F410单片机的各个核心部件

4.1C8051F410概述

C8051F41x器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F41x器件是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

每种器件都可在工业温度范围（-40℃到+85℃）内用2.0V~2.75V的电压工作（使用片内稳压器时电源电压可达5.25V）。

C8051F41x有28脚QFN（也称为MLP或MLF）和32脚LQFP两种封装（如图4-1）。

图4-1C8051F410顶视图

4.2I/O设备

4.2.1端口简介

数字和模拟资源可以通过24个I/O引脚使用。

端口引脚被组织为三个8位端口。

每个端口引脚都可以被定义为通用I/O（GPIO）或模拟输入/输出。

P0.0~P2.7可以被分配给内部数字资源。

设计者完全控制数字功能的引脚分配，只受物理I/O引脚数的限制。

这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。

注意，不论交叉开关的设置如何，端口I/O引脚的状态总是可以被读到相应的端口锁存器。

4.3A/D

4.3.112位ADC简介

C8051F41x的ADC0子系统集成了一个27通道的模拟多路选择器（AMUX0）和一个200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和硬件累加器。

ADC0子系统有一种特殊的突发方式（Burstmode），该方式能自动使能ADC0，采集和累加样本值，然后将ADC0置于低功耗停机方式，而不需CPU干预。

AMUX0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。

ADC0输入为单端方式，可以被配置为用于测量P0.0~P2.7、温度传感器输出、VDD或GND（相对于GND）。

只有当ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1或在突发方式执行转换时，ADC0子系统才被使能。

当AD0EN位为0时或在突发方式下不进行转换时，ADC0子系统处于低功耗关断方式。

4.4定时器

4.4.1简介

C8051F41x内部有4个16位计数器/定时器：

其中两个与标准8051中的计数器/定时器兼容，另外两个是16位自动重装载定时器，可用于其他外设或作为通用定时器使用。

这些定时器可以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。

定时器0和定时器1几乎完全相同，有四种工作方式。

定时器2和定时器3均可作为一个16位或两个8位自动重装载定时器。

定时器2和定时器3还具有smaRTClock捕捉方式，可用于测量smaRTClock时钟（相对于另一振荡器）。

本设计用到了定时器0，主要作用是用来动态扫描和调节温度滑动平均值的时间，保证在一定的时间内滑动，使数据稳定。

第五章系统电源

5.1电源模块

电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源,它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。

它的基本工作原理为：

工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波、再次滤波后成为一稳定的直流电。

图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。

电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。

如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。

这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性。

本设计采用固定集成输出集成稳压电路，它主要由变压器（双6V，5W）、集成整流桥、集成稳压器LM7805（+5V）和LM7905（-5V）、极性电容（100uF和1000uF）构成。

如图5-1所示。

图5-1稳压电源

1）二极管（4个）：

组成全波整流桥电路，正半周期时右上和左下两个二极管导通，负半周期左上和右下两个二极管导通，使电压信号都位于ωt轴上方；

图5-2电压输入波形图5-3整流之后波形（i和u）

2）极性电容（4个）：

滤波作用，当电压信号逐渐增大时候向电容里充电，当电容里电荷达到一定时，停止充电，当电压信号低于电容存储的电荷的电压时，电容开始放电，放到一定程度又开始充电，周而复始，形