智能溫度檢測(cè)儀

1、.智能儀器原理及應(yīng)用題目一：智能溫度檢測(cè)儀學(xué)生 姓 名專業(yè)學(xué)號(hào)同組 同 學(xué)指導(dǎo) 教 師學(xué)院二一六年十一月九號(hào)2016-2017 學(xué)年第一學(xué)期成績(jī)：.一、設(shè)計(jì)要求1.1、題目任務(wù)要求選用溫度傳感器 PT100，恒流源電路、放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路和數(shù)碼管，采用 MCS-51 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集、處理和顯示。1.2、設(shè)計(jì)具體功能要求1、三線制 PT100 及恒流源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；2、放大和比較電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)-10°C+100°C 轉(zhuǎn)換為 0+5V 電壓輸出；3、ADC 芯片的選取及和單片機(jī)接口設(shè)計(jì)；4、多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)；5、編寫數(shù)據(jù)處理程序和標(biāo)度變換程序。二、

2、設(shè)計(jì)題目介紹及分析溫度是自然界中和人類打交道最多的物理參數(shù)之一， 無(wú)論是在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，還是在居住休閑場(chǎng)所， 溫度的采集或控制都十分頻繁和重要， 而且，網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程采集溫度并報(bào)警是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。 由于溫度不管是從物理量本身還是在實(shí)際人們的生活中都有著密切的關(guān)系， 所以溫傳感器就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生。 傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)， 它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。 溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類， 前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸， 而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開一定的距離， 檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，達(dá)到測(cè)溫的目的。由于 PT100 熱電阻的溫度與阻值變

3、化關(guān)系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產(chǎn)了 PT100 熱電阻溫度傳感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。溫度的采集范圍可以在 -200 +200，濕度采集范圍是 0% 100%。pt100 溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。 主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。 帶傳感器的變送器通常由兩部分組成： 傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器。 傳感器主要是熱電偶或熱電阻； 信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由測(cè)量單元、 信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成 （由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的， 因此信號(hào)轉(zhuǎn)換器作為獨(dú)立產(chǎn)品時(shí)也稱為變送器） ，有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能。此次我們利用

4、MCS-51 系列單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)這一智能溫度檢測(cè)儀。實(shí)現(xiàn) -10° C+100°C 溫度范圍內(nèi)的溫度檢測(cè)。.三、設(shè)計(jì)方案論證智能溫度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)， 包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 具體包括： 三線制 PT100 及恒流源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、放大和比較電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) -10° C+100° C 轉(zhuǎn)換為0+5V 電壓輸出、 ADC 芯片的選取及和單片機(jī)接口設(shè)計(jì)、多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)、編寫驅(qū)動(dòng)程序、編寫數(shù)據(jù)處理程序和標(biāo)度變換程序。在本設(shè)計(jì)中，是以電阻 PT100 作為溫度傳感器，采用恒流測(cè)溫的方法，通過單片機(jī)進(jìn)行控制，用放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號(hào)的

5、采集。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元、溫度顯示單元。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1 所示。信號(hào)放大電路A/D 轉(zhuǎn)換電路數(shù)碼管恒流源電路MCS -51 單片機(jī)PT100 溫度傳感器圖 3-1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖四、具體硬件設(shè)計(jì)說明4.1 三線制 PT100及恒流源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)于熱電阻的測(cè)量電路我們采用三線式的測(cè)量電路等， 三線制 PT100中，電阻一端是一根連線， 另外兩端接 2 跟連線，三根線的電阻值相等。 在橋式電路中引用了恒流源，如圖 4-1 所示。.圖 4-1 三線制 PT100 及恒流源驅(qū)動(dòng)電路圖 4-1 中，差分電壓只與 PT100 的阻值有關(guān)，所以，只需通過減法電

6、路，得到V1 和 V2 的差值，再通過放大電路，就可以輸入到A/D 轉(zhuǎn)換器中。4.2 放大電路和比較電路設(shè)計(jì)圖 4-2 差分放大電路此放大電路可以實(shí)現(xiàn) -10-100轉(zhuǎn)化為 0-5v 的電壓輸出，如圖 4-2 所示，采用的為差分放大電路。.4.3 ADC 芯片的選取及和單片機(jī)接口設(shè)計(jì)PT100 溫度傳感器是一種以鉑 (Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù) , 由于它的電阻 溫度關(guān)系的線性度非常好，如圖 4-3 所示，看起來非常接近于直線。因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T)其中 =0.00392, Ro為 100(在 0的電阻值 ),T 為華氏溫度。但是

7、對(duì)于此次設(shè)計(jì)，這個(gè)精度顯然不夠。又找到了以下關(guān)系表達(dá)式子。其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0100范圍內(nèi)：Rt =Ro(1+At+Bt 2)在-100范圍內(nèi)：Rt =Ro(1+At+Bt 2+C(t-100)t 3)式中 A、B、C 為常數(shù)，A=3.96847 ×10-3；B=-5.847 ×10-7；C=-4.22 ×10-12；所以這次設(shè)計(jì)的最高電阻值約為RH=R0 (1+At+Bt 2)圖 4-3 PT100 電阻 -溫度變化圖=100（1+3.96847 ×10-3*100+-5.847 10×-7*100*100 ） 1

8、39.1最低電阻值約為RL=R0 (1+At+Bt 2+C(t-100)t3)=100（1+3.96847×10-3*-10+-5.847 10×-7*-10*-10+-4.2210×-12） 96.03約跨度 RH -RL=43.07其中跨溫度 110 ，采樣精度 1 也就意味著差不多 110 個(gè)采樣點(diǎn) ,每個(gè)采樣點(diǎn)平均分?jǐn)?0.392的電阻。通過查閱 PT100 的使用說明得知， PT100 的工作電流理應(yīng)不超過 1mA,所以兩端電壓值的變化量需要被檢測(cè)出來的最大分辨率應(yīng)該是：1mA*0.392 =0.392mVPT100 兩端的電壓值的取值范圍大概為0.09

9、6V0.139V110 個(gè)采樣點(diǎn)需要 7 位二進(jìn)制來表示，所以 AD 轉(zhuǎn)換器需要分辨率 7 位以上，這里采用 8 位的 ADC0809 芯片：ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路開關(guān)以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS 組件。它是逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口11 。.（ 1） ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由圖 2-9 可知， ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入， 共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A

10、/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（ 2）引腳說明STCLKEOCIN0IN18IN2路IN3模D0擬IN4量8三D1IN5開態(tài)D2路IN6關(guān)A/D輸D3IN7出轉(zhuǎn)D4換鎖D5存器器D6A地D7址B鎖存器VREF+VREF-C與OE譯碼ALE器圖 4-4 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖 4-5 ADC0809 引腳圖IN0 IN7：8 條模擬量輸入通， ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 05V ，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大； 輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng).該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸

11、入和控制線： ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A 、B 和 C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存， 經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A 、B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0 IN7 上的一路模擬量輸入。通道地址表如下表4-6 所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表 4-6 通道地址表字量輸出及控制線： ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 當(dāng) ST 出現(xiàn)上跳沿時(shí)， 所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， ST 應(yīng)保持低電平。 EO

12、C為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。 當(dāng) EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束； 否則，表明正在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。 OE 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 D7 D0 為數(shù)字量輸出線。CLK 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。 因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路， 所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ 。VREF（）、 VREF（）為參考電壓輸入。單片機(jī)我們選用 MCS-51 單片機(jī)， ADC0809 引腳與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)如下：（ 1） ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 MCS-51 單片機(jī)直接相連。

13、（ 2）初始化時(shí)，使 ST 和 OE 信號(hào)全為低電平。（ 3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A ，B，C 端口上。（ 4）在 ST 端給出一個(gè)至少有 100ns 寬的正脈沖信號(hào)。（ 5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號(hào)來判斷。（ 6）當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給 OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)。單片機(jī)這里我們選用的是 MCS-51 系列的 8031 單片機(jī)，圖 4-7 為 ADC0809 與單片機(jī) 0821 接口電路。.圖 4-7 ADC0809 與單片機(jī) 8031 接口電路4.4 多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。圖4-8 所示為

14、0.5 英尺 LED 數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng)ag 筆段構(gòu)成“日”字形另一只發(fā)光二極管 dp 作為小數(shù)點(diǎn)。因此這種 LED 顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管圖 4-8 LED 數(shù)碼管LED 數(shù)碼管顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。本設(shè)計(jì)選動(dòng)態(tài)掃描方式的六位七段 LED 顯示器。其接口電路如圖 4-9 所示，接口芯片采用 8155，其中 PA 口用于輸出段碼， PB 口用于輸出位選碼，其地址.分別為 FD01H 和 FD02H。圖 4-9 LED 數(shù)碼管顯示電路五、軟件設(shè)計(jì)說明本設(shè)計(jì)采用C51 高級(jí)語(yǔ)言編寫，因?yàn)槠涮峁┝藥?kù)函數(shù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，

15、具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，關(guān)鍵字及控制轉(zhuǎn)移方式更接近人的思維方式，且 本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，移植方便。5.1 各部分程序流程圖主程序流程圖：主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，信號(hào)放大， A/D 轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖 5-1 所示。.開始系統(tǒng)初始化PT100 溫度數(shù)據(jù)采集A/D 轉(zhuǎn)換器處理讀到的數(shù)據(jù)送 LED 數(shù)碼管顯示結(jié)束圖 5-1 主程序流程圖溫度轉(zhuǎn)換程序流程如圖 5-2 所示，開始初始化函數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回圖 5-2 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖顯示流程圖如圖5-3 所示，開始系統(tǒng)初始化調(diào)用溫度子程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用掃描按鍵程序圖 5-3 顯示子程序.

16、六、測(cè)試及調(diào)試整個(gè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)由測(cè)控電路、放大電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及顯示部分構(gòu)成，其中顯示部分用的是單片機(jī)板，所以電路的設(shè)計(jì)主要是測(cè)控、信號(hào)放大、 數(shù)模轉(zhuǎn)換的部分。把測(cè)控電路和放大電路連接起來組合調(diào)試。 把測(cè)控電路的可調(diào)電阻調(diào)整為 100 ，那么兩橋臂的阻值相等，輸出的電壓都是 2.5V, 壓差為 0，那么 ADC0809的輸出也為 0。調(diào)節(jié)測(cè)控部分的可調(diào)電阻、 ADC0809的兩個(gè)可調(diào)電阻，儀用放大器的輸出都會(huì)呈線性變化， 如果出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象， 那么說明電路是正確的。 在實(shí)際的焊接過程中， 并沒有這么順利。 橋式電路的輸出電壓是正確的， 可是電路連入放大部分的時(shí)候， 不管怎樣調(diào)節(jié)電阻， 輸出都是呈飽和狀態(tài)， 不管接入?yún)⒖茧妷号c否。這個(gè)問題到最后也沒查出原因， 只好把這兩部分電路重新焊接了一遍。 焊接后的電路，現(xiàn)象正確。把 AD623的輸出電壓接到 ADC0809，并接入顯示電路，設(shè)計(jì)一個(gè)顯示程序，把AD623輸出的電壓顯示到數(shù)碼管上。顯示的結(jié)果是正確的，但如果調(diào)節(jié)焊接電路的可調(diào)電阻， 數(shù)碼管的顯示不會(huì)更新， 檢查電路后， 發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)管腳焊接斷開了，把斷開部分用焊錫接上以后，電路的調(diào)試通過，換上鉑熱電阻。與溫度傳感器連接通電后， 可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度的基本功能， 通過 led 顯示讀出溫度值，但是由于理論與實(shí)際并不能完全對(duì)應(yīng)， 測(cè)出的溫度值