基于PT100的溫度測量系統(tǒng)

前言傳感器技術在信息采集、信息傳輸和信息處理中，屬于前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器技術，在各個領域廣泛應用，比如在工農業(yè)生產中需要實時測量溫度等等。因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本文利用單片機結合溫度傳感器技術而開發(fā)設計了這一溫度測量系統(tǒng)。文中將傳感器理論與單片機實際應用有機結合，詳細地講述了利用熱電阻作為溫度傳感器來測量實時的溫度，以及實現熱電轉換的原理過程。本設計應用性比較強，設計系統(tǒng)可以作為溫度測量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調節(jié)系統(tǒng)、生產溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。本課題主要任務是完成環(huán)境性強等優(yōu)點。課程設計任務本設計系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號放大電路，A/D轉換模塊，時鐘模塊，數據處理與控制模塊，溫度、時間顯示模塊六個部分。文中對每個部分功能、實現過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度測量與顯示，完成了課題所有要求。摘要：本文采用AT89S51單片機，TLC2543A/D轉換器，DS1302時鐘芯片，AD620放大器，鉑電阻PT100及8位數碼管組成系統(tǒng)，編寫了相應的軟件程序,使其實現溫度的實時顯示。該系統(tǒng)的特點是：使用簡便；測量精確、穩(wěn)定、可靠；測量范圍大；使用對象廣。關鍵詞：PT100單片機溫度測量DS1302Abstract：ThesystemcontainsSCM(AT89S51),analogtodigitalconvertdepartment(TLC2543),DS1302chip,AD620amplifier,PT100platinum,LEDDigitaltubewithsix,writethecorrespondingsoftwareprogramtoachievereal-timetemperaturedisplay.Thesystemissimple,accurate,stableandwiderange.Keywords:PT100SCMTemperatureMeasuresDS1302一方案設計與論證1.1傳感器的選擇由于本設計的任務是要求測量的范圍為0℃～100℃，測量的分辨率為±0.1℃，綜合價格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號為WZP型鉑電阻，該傳感器的測溫范圍從－200℃～＋650℃。具體在0℃～100℃的分度特性表見附錄A所示。1.1.1PT100溫度傳感器原理PT100溫度感測器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數,其電阻和溫度變化的關系式如下：R=Ro(1+αT)其中α=0.00392,Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為攝氏溫度。因此白金作成的電阻式溫度檢測器,又稱為PT100。PT100是電阻式溫度傳感器，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉換成數字信號，再由處理器換算出相應溫度。主要技術指標：1.測溫范圍：-200℃～650℃；2.測溫精度：0.1℃；3.穩(wěn)定性：0.1℃。PT100溫度傳感器測量范圍廣：-200℃～+650℃，偏差小，響應時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應用，本設計采用PT100作為溫度傳感器。圖2.5.1ADC0809CCN2.6DS1302時鐘電路設計DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。本設計中采用DS1302時鐘芯片產生時鐘信號，通過單片機進行處理控制，并顯示出實時的時間，可以用于對溫度進行實時的數據采集。1.引腳功能及結構DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1＋0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數據的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數據傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數據輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。DS1302的引腳功能圖如圖2-7所示。圖2.6.1DS1302引腳圖2.DS1302的控制字節(jié)DS1302的控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數據寫入DS1302中，位6如果為邏輯0，則表示存取日歷時鐘數據，為1表示存取RAM數據;位5至位1指示操作單元的地址輸入或輸出。最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。3.數據輸入輸出(I/O)在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數據被寫入DS1302，數據輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數據，讀出數據時從低位0位到高位7。4.DS1302的寄存器DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數據位為BCD碼形式。此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內容。DS1302與RAM相關的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數為讀操作，偶數為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH（寫）和FFH（讀）。5.DS1302與單片機的連接DS1302與CPU的連接需要三條線，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。這三條線分別接到CPU的I/O線上。圖2.6.2DS1302與CPU的連接2.7單片機簡介及控制電路89C51單片機簡介：與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命：1000寫/擦循環(huán)，數據保留時間：十年。?全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz?三級程序存儲器鎖定?128*8位內部RAM?32可編程I/O線?兩個16位定時器/計數器?5個中斷源?可編程串行通道?低功耗的閑置和掉電模式?片內振蕩器和時鐘電路89C51單片機引腳圖89C51引腳功能介紹●VCC：供電電壓●GND：接地●P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫“1”時，被定義位高阻輸入。P0能夠用于外部程序存儲器，它可以被定義為數據地址的低八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高?！馪1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能夠接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接受?！馪2口：P2口為一個內部上拉電阻的雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。再給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASh編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號?！馪3口：P3口管腳是八個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電路。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管腳備選功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0計時器0外部輸入P3.5T1計時器1外部輸入P3.6/WR外部數據存儲器寫選通P3.7/RD外部數據存儲器讀選通表2.7.1特殊功能口P3口同時為閃爍編程和編程校驗接受一些控制信號●RST：復位輸入，當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間●ALE/PROG:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6.因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0.此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX、MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效?！?PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現?！?EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖存為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）?！馲TAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入●XTAL2:來自反向振蕩器的輸出圖2.7.289C51圖2.7.3連接電路圖2.7.4復位電路圖2.7.5串口電路在單片機上，需要下載程序，使用串口方能完成此功能。在焊好的單片機板上，伸出三個腳，用于電路的連接。2.8顯示模塊七段數碼管LED所有數碼管通過分時輪流控制各個數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示。將所有數碼管的8個顯示筆“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通有各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。圖2.8.1顯示模塊三軟件設計主要介紹編程語言C語言和編程工具Keil3軟件，以及本系統(tǒng)的程序設計和在程序設計時所遇到的問題及解決辦法。3.1概述整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質性的功能，如測量，計算，顯示，通訊等。每個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好之后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結構，然后根據實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間的調度關系。3.2編程語言介紹C語言是一種面向過程的計算機程序設計語言，它是目前眾多計算機語言中舉世公認的優(yōu)秀的結構程序設計語言之一。C語言主要有以下特點：1、C是中級語言。它把高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。C語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元。2、C是結構式語言。結構式語言的顯著特點是代碼及數據的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護以及調試。3、C語言功能齊全。具有各種各樣的數據類型，并引入了指針概念，可使程序效率更高。另外C語言也具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅動器。4、C語言適用范圍大。適合于多種操作系統(tǒng)，如Windows、DOS、UNIX等等；也適用于多種機型?；贑語言的這些特點，我們選用C語言來作為編程語言。3.3編程軟件Keil簡介KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。KeilC51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹KeilC51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。我們用開發(fā)軟件KeiluVision3來編寫、修改所需程序和下載程序到單片機運行。其下介紹KeiluVision3的使用步驟。3.4程序設計流程圖本溫度測量系統(tǒng)的程序設計流程圖如圖3.4所示。單片機初始化單片機初始化液晶初始化根據AD碼算出電阻值根據電阻值算出溫度值液晶顯示延時開始 圖3.4.1程序流程圖3.5溫度程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definemynumtemsbitLED1=P2^0;sbitLED2=P2^1;sbitLED3=P2^2;sbitLED4=P2^3;//四個數碼管的位選sbitOE=P1^0;//AD轉換輸出使能端sbitEOC=P1^1;//AD轉換結束標志sbitST=P1^2;//開始AD轉換和寄存器清零,下降沿為開始轉換,上升沿為寄存器清零sbitCLK=P1^3;//ADC0809的時鐘信號sbitC3=P1^4;sbitC2=P1^5;sbitC1=P1^6;uintadnum=0;uintge=0,shi=0,bai=0,qian=0;uintmytime=0; ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};voiddelay(uintxms){ uinti,j; for(i=xms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--);}voidT0T1_init()//定時器0和1的初始化{ TMOD=0x12; TH0=164; TL0=164; TH1=19453/256; TL1=19453%256; EA=1; ET0=1; ET1=1; TR0=1; TR1=1;}voidLED_init()//初始化數碼管{ LED1=1; LED2=1; LED3=1; LED4=1; P0=0; }voidadc0809_init()//ADC0809初始化{ C3=0; C2=0; C1=0; ST=0; delay(1); ST=1; OE=0; CLK=0; }voidLED_display(){ P0=table[shi]; LED1=0; delay(3); LED1=1; P0=table[ge]; LED2=0; delay(3); LED2=1; P0=0x63; LED3=0; delay(3); LED3=1; P0=0x39; LED4=0; delay(3); 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