智能温度测量仪毕业设计论文.docx

智能温度测量仪毕业设计论文.docx

《智能温度测量仪毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能温度测量仪毕业设计论文.docx（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能温度测量仪毕业设计论文

智能温度测量仪

论文摘要

随着技术的发展，智能化的产品越来越受人们的青睐。

智能型温度测量仪作为一个智能化的温度计来说也是比较受欢迎的。

通常，智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。

智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。

它不但能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等，还可实现各类测量误差的自动修正。

进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信，构成各种计算机控制系统等。

多种输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警,还可以多点巡回检测。

它既可输出模拟量,也可输出数字量（开关量）信号。

本身所具有的自诊断和声光报警功能对仪表内部各种故障能自动诊断出来,并能在出现故障时显示或报警。

在智能仪表的设计中,由于采用了单片机技术,使得硬件电路大大简化,而其软件的强大功能又使仪表的性能得到了明显提高,功能的扩展也变得十分方便。

加上通信功能后,其检测、控制方式也十分灵活、便捷。

因此,仪器、仪表的智能化、可通信化是一个很好的发展方向。

关键词：

智能化温度测量传感器

设计要求

设计说明

智能型温度测量仪

崔曾哲

概述：

智能化测量仪具有精度高、灵敏度高、测量速度快、测量的自动化以及多种输出形式等一系列优点，受到科研、工业界的普遍欢迎。

热工测量如温度、压力、流量等，正越来越广泛地采用智能化测量仪；

智能型温度测量仪一般直接配接热电偶或热电阻等温度传感器，由于温度传感器本身的非线性，故仪器内部需增加进行非线性补偿的电路或软件。

如果测温范围允许使用集成T/I或T/U变换器，由于其线性很好，不必采用非线性补偿。

智能压力、流量显示仪，一般配接变送器即传感器和变送电路一体化的产品，这类传感器的输出信号为0～10mA或4～20mA的直流标准信号且线性很好。

不需进行非线性补偿，仪表的软、硬件组成较简单。

设计要求

1、设计项目：

智能型温度测量仪

2、设计目的：

（1）根据自己所学的知识来完成智能型温度测量仪的设计。

（2）通过设计来巩固所学的单片机及电路方面的知识。

（3）培养学生独立思考、阅读大量技术资料的能力，培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。

（4）提高学生对工作认真负责、勇于开拓、勇于实践的基本素质！

3、设计功能要求：

（1）配合集成T/I变换器，实现温度的测量；

（2）能够实现开机自检、自动调零的功能；

（3）具有克服随机误差的数字滤波功能；

（4）可以预置温度上限、下限，超限时声、光报警；

（5）通过电脑USB接口来提供5V电源使温度仪正常工作。

4、主要技术指标：

（1）测量温度范围：

-50℃～150℃

（2）测量误差：

≤1%（最大引用误差）

（3）分辨率：

0.1℃

（4）显示方式：

4位LED数码管显示被测温度值

5、采用方案：

集成T/I变换器→I/U变换器→滤波器→A/D转换器→单片机

6、方案论证与选择

（1）从功能要求看，系统功能并不复杂，MCS-51单片机完全可以胜任主机角色；

（2）从测温范围看，热电阻传感器或集成T/I（或T/U）变换器均可满足要求；

（3）从分辨率看，普通运放和11位以上的A/D转换器可以满足精度要求；

分辨率=0.1℃/（200-0）℃=1/2000

（4）由于温度变化缓慢，采用双积分型A/D转换器，不需要采样保持器；也可选用片内带有12位A/D转换器的。

设计说明

1、智能型温度测量仪的基本结构与工作流程

智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样,也是由硬件和软件两大部分组成的。

1.1、硬件结构

智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入输出通道、键盘（人—机联系部件）、接口和显示打印部分组成,如图1-1所示。

图1-1（硬件结构图）

主机电路以单片机为核心,用来储存数据和程序,并进行一系列的运算和处理。

过程输入输出通道由模拟量输入输出电路（A/D转换电路和D/A转换电路等）以及开关量输入输出电路等构成。

模拟量输入输出电路用来输入或输出模拟量信号；而开关量输入输出电路则用来输入或输出开关量信号。

利用键盘可以实现人与仪表之间的联系,而通信接口则用于使仪表与外界进行数据的交换。

1.2、系统软件

智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。

监控程序用于接受和分析各种指令,管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人—机联系或输入产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。

1.3、工作流程

智能型温度测量仪的工作流程如图1-2所示。

由温度传感器进入的模拟信号（直流电势或电阻）经过输入信号处理,即经过交换、放大、整形和补偿后,由A/D转换成数字量。

此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。

微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后,将运算结果存入读写存储器中。

与此同时,将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A转换成模拟量输出,或者利用串、并行标准接口实现数据通信。

整机工作过程是在系统软件控制下进行的。

工作程序编制好后写入只读存储器中,通过键盘可将必要的参数和命令存入读写存储器中。

图1-2（工作流程图）

2、硬件电路设计

2.1、单片机的选择

从性能、功能、仿真调试器的普及程度等各方面考虑，MCS-51系列单片机是一个很好的选择。

此次设计所选为AT89C51单片机。

2.2、A/D转换器的选用

1、分辨率：

温度分辨率要求为1/2000，须采用11位的A/D转换器。

2、误差：

系统误差要求＜1%，考虑到传感器、放大电路增益、A/D转换器、直流基准电压等都会产生误差，一般选A/D转换器的误差应＜（1/5～1/10）系统误差，故至少应选择≥9～10位（0.1%）精度的。

两者相比以要求较高的为准。

3、转换速度：

由于温度变化缓慢，对A/D转换器转换速度无特殊要求。

4、选择芯片：

可考虑选择转换速度较慢、精度较高、抗干扰性能较好、价格低廉的双积分型A/D转换器，常用的芯片有MC14433（3位半---单极性输入时相当于11位）和ICL7135（4位半---单极性输入时相当于15位）。

这两种A/D转换器的模拟输入电压范围均为：

UI=±2V。

MC14433已经完全可以满足精度要求，故选之。

直流基准电压由MC1403提供。

其各个引脚功能简介如图2-1

图2-1（MC14433引脚排列及功能图）

2.3、传感器、I/U变换、滤波、标度变换电路的选取

1、传感器：

精密集成T/I变换器AD590的各项性能指标均能满足设计要求。

2、I/U变换、滤波、标度变换电路：

为简化硬件电路结构，I/U变换、滤波、标度变换电路由一个运放A实现，电路如图2-2所示。

图2-2（摄氏温度检测电路）

图中，MC1403是2.5V直流基准电压源，R6、R的作用是与MC1403的输出电压共同产生273.15μA的电流I2，使其与AD590在0℃时所产生的273.15μA电流相抵消，使0℃时输出电压Uo为零。

调节RP2使输出电压灵敏度符合A/D转换器输入电压的要求。

采用反相放大电路，使运放同相端、反相端电位均为零，对共模干扰的抑制能力优于同相放大电路。

图中

测量时：

UO=I3（R2+RP2）=（I1-I2）×（R2+RP2）=10（I1-273.15）（mV/℃）

自检时：

UO=I3（R2+RP2）=（5/（13.3+0.1）-I2）×（R2+RP2）=（373.13-273.15）×10≈1V

（1）、I/U变换器：

反相比例放大电路实现了I/U变换。

（2）、标度变换：

由MC1403提供的2.5V基准电压与RP1、R1共同产生237.15μA的电流I2，由运放A对传感器输出电流I1和I2实现加法放大运算，使输出电压为：

UO=I3（R2+RP2）=（I1-I2）（R2+RP2）=（I1-273.15）×（R2+RP2）=10（I1-273.15）（mV/℃）

当t=0℃时，I1=273.15μA，UO=0V，经A/D转换，D=0

当t=-50℃时，I1=223.15μA，UO=-500mV，经A/D转换，D=-500

当t=150℃时，I1=423.15μA，UO=1500mV，经A/D转换，D=1500

可见，D/10（小数点左移一位），即得测量温度值，从而实现了标度变换。

此设计采用硬件实现标度变换的，使当tmin=-100℃时放大器输出电压Umin=-0.1V，对应的A/D转换值为Nmin=-1000；当tmax=+1500℃时放大器输出电压Umax=1.5V，对应的A/D转换值为Nmax=15000。

则A/D转换的结果可以直接送显示器，仅需要将小数点左移一位即可。

此方法的优点是软件编程简单，缺点是使仪器的通用性受限制。

（3）、滤波器：

若测温现场干扰较严重，可考虑使用硬件滤波器，由于被测温度变化很缓慢，可考虑采用由运放构成截止频率很低的有源低通滤波器，在反馈电阻两端并联一个电容，即可实现一阶低通滤波，取其截止频率fH=15Hz，则C2为：

C2=1/2лfH（R2+RP2）=1/（2×3.14×15×10×103）≈1.06μF

C2选用1μF/50V的电解电容。

2.4、键盘、显示电路的设计

1、显示：

为4位LED数码显示器；为少占用I/O口，采用软件译码动态扫描显示。

小数点固定在十位，正号不显示，负号由百位的“g”字段显示。

2、键盘：

设置4个按键，设功能键1个，每按下1次，K1状态计数器加1，使用“+”、“-”依次逐位预置上限温度百位、十位、个位和下限温度百位、十位、个位，预置完毕后，K1状态回0，为简化键处理程序设计，预置上、下限温度范围限制为-59～+159℃，而非-50～+150℃。

另设预置温度查询键1个，测温时可查询预置的上、下限温度。

按键设置如附表1-1：

附表1-1按键设置表

K1态

按键

2DH.4

F0

显示

操作

0

K1

0/1

*

测温值

关A/D中断，K1状态+1，清预置寄存器，关预置错误报警，显示“0灭灭.H”/“0灭灭.L”，

0

K2、K3

*

*

*

无效

0

K4

*

*

*

每按1次K4，依次显示“XYZ.H”→“XYZ.L”→“测温值”

1～3

K4

*

*

*

无效

1

K2

0

0

0灭灭.H

百位数字加1

1

K2

0

0

1灭灭.H

无效

1

K3

0

0

0灭灭.H

无效

1

K3

0

0

1灭灭.H

百位数字减1

1

K1

0

0

X灭灭.H

K1状态+1，显示“X0灭.H”

2

K2

0

0

0Y灭.H

Y=9时无效，Y＜9时Y+1

2

K2

0

0

1Y灭.H

Y=5时无效，Y＜5时Y+1

2

K2

0

1

-Y灭.H

Y-1，当Y-1=0时置F0=0，显示“00灭.H”

2

K3

0

0

1Y灭.H

Y≠0，Y-1；Y=0，无效

2

K3

0

0

0Y灭.H

Y≠0，Y-1；Y=0，置F0=1，显负号，Y+1

2

K3

0

1

-Y灭.H

Y=5时无效，Y≠5时Y+1

2

K1

0

*

XY灭.H

K1状态+1，显示“XY0.H”

3

K2

0