智能温度检测仪.docx

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智能温度检测仪

智能仪器原理及应用

题目一：

智能温度检测仪

学生姓名

专业

学号

同组同学

指导教师

学院

二〇一六年十一月九号

2016-2017学年第一学期成绩：

一、设计要求

1.1、题目任务要求

选用温度传感器PT100，恒流源电路、放大电路、A/D转换电路和数码管，采用MCS-51系列单片机实现温度信号的采集、处理和显示。

1.2、设计具体功能要求

1、三线制PT100及恒流源驱动电路设计；

2、放大和比较电路设计，实现-10°C~+100°C转换为0~+5V电压输出；

3、ADC芯片的选取及和单片机接口设计；

4、多位数码管动态显示设计；

5、编写数据处理程序和标度变换程序。

二、设计题目介绍及分析

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。

传感器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。

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。

由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。

它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。

温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。

pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。

主要用于工业过程温度参数的测量和控制。

带传感器的变送器通常由两部分组成：

传感器和信号转换器。

传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。

此次我们利用MCS-51系列单片机结合温度传感器技术设计这一智能温度检测仪。

实现-10°C~+100°C温度范围内的温度检测。

三、设计方案论证

智能温度检测仪的设计，包括硬件和软件的设计。

具体包括：

三线制PT100及恒流源驱动电路设计、放大和比较电路设计，实现-10°C~+100°C转换为0~+5V电压输出、ADC芯片的选取及和单片机接口设计、多位数码管动态显示设计、编写驱动程序、编写数据处理程序和标度变换程序。

在本设计中，是以电阻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。

本设计系统主要包括温度信号采集单元、单片机数据处理单元、温度显示单元。

系统的总结构框图如图3-1所示。

图3-1系统总结构框图

四、具体硬件设计说明

4.1三线制PT100及恒流源驱动电路设计

对于热电阻的测量电路我们采用三线式的测量电路等，三线制PT100中，电阻一端是一根连线，另外两端接2跟连线，三根线的电阻值相等。

在桥式电路中引用了恒流源，如图4-1所示。

图4-1三线制PT100及恒流源驱动电路

图4-1中，差分电压只与PT100的阻值有关，所以，只需通过减法电路，得到V1和V2的差值，再通过放大电路，就可以输入到A/D转换器中。

4.2放大电路和比较电路设计

图4-2差分放大电路

此放大电路可以实现-10℃-100℃转化为0-5v的电压输出，如图4-2所示，采用的为差分放大电路。

4.3ADC芯片的选取及和单片机接口设计

PT100温度传感器是一种以铂（Pt）做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，如图4-3所示，看起来非常接近于直线。

因此在测量较小范围内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为华氏温度。

但是对于此次设计，这个精度显然不够。

又找到了以下关系表达式子。

其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～100℃范围内：

Rt=Ro（1+At+Bt2）

在-10～0℃范围内：

Rt=Ro（1+At+Bt2+C（t-100）t3）

式中A、B、C为常数，

A=3.96847×10^-3；

B=-5.847×10^-7；

C=-4.22×10^-12；

所以这次设计的最高电阻值约为

RH=R0（1+At+Bt2）图4-3PT100电阻-温度变化图

=100（1+3.96847×10^-3*100+-5.847×10^-7*100*100）

≈139.1Ω

最低电阻值约为

RL=R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）

=100（1+3.96847×10^-3*-10+-5.847×10^-7*-10*-10+-4.22×10^-12）

≈96.03Ω

约跨度RH-RL=43.07Ω

其中跨温度110℃，采样精度1也就意味着差不多110个采样点,每个采样点平均分摊0.392Ω的电阻。

通过查阅PT100的使用说明得知，PT100的工作电流理应不超过1mA,所以两端电压值的变化量需要被检测出来的最大分辨率应该是：

1mA*0.392Ω=0.392mV

PT100两端的电压值的取值范围大概为0.096V~0.139V

110个采样点需要7位二进制来表示，所以AD转换器需要分辨率7位以上，这里采用8位的ADC0809芯片：

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口[11]。

（1）ADC0809的内部逻辑结构

由图2-9可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

（2）引脚说明

图4-4ADC0809的内部逻辑结构

图4-5ADC0809引脚图

IN0－IN7：

8条模拟量输入通，ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B和C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A、B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道地址表如下表4-6所示。

C

B

A

选择的通道

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

表4-6通道地址表

字量输出及控制线：

ST为转换启动信号。

当ST出现上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。

VREF（＋）、VREF（－）为参考电压输入。

单片机我们选用MCS-51单片机，ADC0809引脚与单片机接口设计如下：

（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与MCS-51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A，B，C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。

单片机这里我们选用的是MCS-51系列的8031单片机，图4-7为ADC0809与单片机0821接口电路。

图4-7ADC0809与单片机8031接口电路

4.4多位数码管动态显示设计

LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。

图4-8所示为0.5英尺LED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应a～g笔段构成“日”字形另一只发光二极管dp作为小数点。

因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管

图4-8LED数码管

LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。

本设计选动态扫描方式的六位七段LED显示器。

其接口电路如图4-9所示，接口芯片采用8155，其中PA口用于输出段码，PB口用于输出位选码，其地址分别为FD01H和FD02H。

图4-9LED数码管显示电路

五、软件设计说明

本设计采用C51高级语言编写，因为其提供了库函数包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力，关键字及控制转移方式更接近人的思维方式，且本身并不依赖于机器硬件系统，移植方便。

5.1各部分程序流程图

主程序流程图：

主要实现系统的初始化，信号放大，A/D转换，显示数据。

主程序流程图如图5-1所示。

图5-1主程序流程图

温度转换程序流程如图5-2所示，

图5-2温度转换程序流程图

显示流程图如图5-3所示，

图5-3显示子程序

六、测试及调试

整个温度检测系统由测控电路、放大电路，数模转换电路以及显示部分构成，其中显示部分用的是单片机板，所以电路的设计主要是测控、信号放大、数模转换的部分。

把测控电路和放大电路连接起来组合调试。

把测控电路的可调电阻调整为100Ω，那么两桥臂的阻值相等，输出的电压都是2.5V,压差为0，那么ADC0809的输出也为0。

调节测控部分的可调电阻、ADC0809的两个可调电阻，仪用放大器的输出都会呈线性变化，如果出现这样的现象，那么说明电路是正确的。

在实际的焊接过程中，并没有这么顺利。

桥式电路的输出电压是正确的，可是电路连入放大部分的时候，不管怎样调节电阻，输出都是呈饱和状态，不管接入参考电压与否。

这个问题到最后也没查出原因，只好把这两部分电路重新焊接了一遍。

焊接后的电路，现象正确。

把AD623的输出电压接到ADC0809，并接入显示电路，设计一个显示程序，把AD623输出的电压显示到数码管上。

显示的结果是正确的，但如果调节焊接电路的可调电阻，数码管的显示不会更新，检查电路后，发现其中一个管脚焊接断开了，把断开部分用焊锡接上以后，电路的调试通过，换上铂热电阻。

与温度传感器连接通电后，可以实现测量温度的基本功能，通过led显示读出温度值，但是由于理论与实际并不能完全对应，测出的温度值有很大误差，经过调试分析，将放大倍数等稍作修改，可以控制其偏差在2度以内，并不影响正常的指标分析，可以说精度还算高。

七、总结

经过多次的修改，本设计基本符合设计要求，由于受知识量限制和软硬件的限制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减小误差。

这次设计虽然时间比较紧，但是从系统的知识学习，使我对MCS-51单片机以及ADC0809芯片有了更进一