基于PT100的數(shù)字溫度計的設(shè)計.zip
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學(xué)生姓名 | 班級學(xué)號 | |||
專 業(yè) | 測控技術(shù)與儀器 | 課程設(shè)計題目 | 基于PT100熱電阻的溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 | |
評 語 | 組長簽字： | |||
成績 | ||||
日期 | 201 年 月 日 | |||
學(xué) 院 | 自動化與電氣工程學(xué)院 | 專 業(yè) | 測控技術(shù)與儀器 | ||
學(xué)生姓名 | 班級學(xué)號 | ||||
課程設(shè)計題目 | 基于熱電阻的溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 | ||||
實踐教學(xué)要求與任務(wù): 1、熟悉所確定的題目，從問題需求、程序結(jié)構(gòu)、難點及關(guān)鍵技術(shù)等方面進行分析, 形成系統(tǒng)的設(shè)計方案； 2、根據(jù)方案設(shè)計硬件電路； 3、軟件編程并調(diào)試； 4、完成課程設(shè)計報告，打印程序，給出運行結(jié)果。 工作計劃與進度安排: 第 18 周（12 月 28 日-12 月 31 日）：根據(jù)設(shè)計要求和內(nèi)容查閱參考文獻或資料， 提出設(shè)計方案，進行原理設(shè)計。 第 20 周（1 月 11 日-1 月 15 日）：根據(jù)設(shè)計方案，完善設(shè)計，并進行硬件及軟 件調(diào)試，測試，撰寫課程設(shè)計報告，答辯。 | |||||
指導(dǎo)教師： 201 年 月 日 | 專業(yè)負責(zé)人： 201 年 月 日 | 學(xué)院教學(xué)副院長： 201 年 月 日 | |||
8總結(jié)........................................................................................................19
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度檢測及其控制占有舉足輕重的地位，隨著現(xiàn)代信息 技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn) ，能夠獨立工作的溫度檢測和顯示 系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。要達到較高的測量精度需要很好的解決引線誤差補償 問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差等問題，使溫度檢測復(fù)雜 化。模擬信號在長距離傳輸過程中，抗電磁干擾時令設(shè)計者傷腦筋的問題，對于 多點溫度檢測的場合，各被檢測點到監(jiān)測裝置之間引線距離往往不同，此外，各 感元件參數(shù)的不一致，這些都是造成誤差的原因，并且難以完全清除。
單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為 自動化和各個測控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮 越來越大的作用。采用單片機對溫度采集進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡 單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控數(shù)據(jù)的技術(shù)指標，從而能夠大大 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。
由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子加工技術(shù)，計算機技術(shù)及信息處理 技術(shù)的發(fā)展，人們對信息資源的需求日益增長，作為提供信息的傳感技術(shù)及傳感 器愈來愈引起人們的重視，而綜合各種技術(shù)的傳感器技術(shù)也進入到一個飛速的發(fā) 展階段。要及時正確地獲取各種信息，解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種具體 的檢查問題，就必須合理選擇和善于應(yīng)用各種傳感器及傳感技術(shù)。如最簡單的溫 度的測量，有熱電偶、光纖溫度傳感器等等。但是，熱電阻是開發(fā)早、種類多、 發(fā)展較成熟的感元器。熱電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電 阻變化。熱電阻器是感元件的一類,按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱電阻器 和負溫度系數(shù)熱電阻器。熱電阻器的典型特點是對溫度感，不同的溫度下表現(xiàn)出 不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱電阻器在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數(shù)熱電 阻器在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷 發(fā)展，熱電阻作為一種新型感溫元件應(yīng)用越來越廣泛。他具有體積小、靈度高、 重量輕、熱慣性小、壽命長以及價格便宜等優(yōu)點,最重要的是作為溫度傳感器的 熱電阻的靈度非常高，這是其他測溫傳感器所不能比擬的。
使用熱電阻 pt100 溫度傳感器利用其感溫效應(yīng)，熱電阻隨環(huán)境溫度的變化而 變化，在電路圖中將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再將電壓值作為輸入信號 輸入至 AD 轉(zhuǎn)換器中進行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，其輸出端接單片機，向單 片機內(nèi)寫入源程序，將被測溫度在顯示器上顯示出來： 測量溫度范圍−50℃～110℃。
本題目使用鉑熱電阻 PT100，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT 后的 100 即表示它在 0℃時阻值為 100 歐姆，在 100℃時它的阻值約為 138.5 歐姆。廠家 提供有 PT100 在各溫度下電阻值值的分度表，在此可以近似取電阻變化率為
0.385Ω/℃。向 PT100 輸入穩(wěn)恒電流，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換后測 PT100 兩端電壓，即 得到 PT100 的電阻值，進而算出當前的溫度值。
0.385Ω/℃的特性，計算出當前溫度值。 測溫系統(tǒng)如圖 2 所示：
如圖 2 所示，熱電阻 RT 和 RA1，RB1 和 RC1，可以改變電阻 R2 組成一 個測溫點橋，在溫度為 20 度時，調(diào)節(jié) R2 使點橋達到平衡。當溫度升高時，熱 電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出不平衡的電壓，經(jīng)過濾波后，輸入運 算放大器，進行放大處理。
pt100 是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT 后的 100 即表 示它在 0℃時阻值為 100 歐姆，在 100℃時它的阻值約為138.5 歐姆。它的工業(yè) 原理：當 PT100 在 0℃的時候他的阻值為 100 歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升 它的阻值是成勻速增漲的。
式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可見 Pt100 在 常溫 0~100℃之間變化時線性度非常好，其阻值表達式可近似簡化為：RPt=100
LM324 系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準 運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 3.0V 或者 高到 32V 的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范 圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一 組運算放大器可用圖 1 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“+”、“-” 為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個 信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端 的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相 位相同。如圖 6 所示：
放大倍數(shù) Av 也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為 R3。R4 的阻 值范圍為幾千歐姆到十幾千歐姆。
ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率 8 位，轉(zhuǎn)換時間 100μs，輸入電壓范圍為 0～5V，增加某些外部電路后，輸入模 擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的 輸出可以直接連接在 CPU 數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。ADC0804 芯片 管腳如圖 8 所示引腳名稱及意義如下：
D7～D0：A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機總線相 接。
AGND：模擬信號地。 DGND:數(shù)字信號地。 CLKIN:外電路提供時鐘脈沖輸入端。
CLKR:內(nèi)部時鐘發(fā)生器外接電阻端，與 CLKIN 端配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘 脈沖，其頻率 為 1.1/RC。
CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器被選中， 可啟動工作。
WR：寫信號輸入，接收微機系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動輸入端，低 電平有效， 當 CS、WR 同時為低電平時，啟動轉(zhuǎn)換。
RD:讀信號輸入，低電平有效，當 CS、RD 同時為低電平時，可讀取轉(zhuǎn)換輸 出數(shù)據(jù)。
INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有效。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成 。 該信號常作為向微機系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號。
AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱 單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非 易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由 于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種 高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C51 單片機為很多嵌入式
P0 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲 器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入 口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須接上拉電阻。
P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接 收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為低八位地址接收。
P2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收， 輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作 為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于 內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器進行 存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢， 當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)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。
門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)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（ILL）這是由于上拉的緣故。
P3 口密位 | 第二功能 | 功能 |
P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 | RXDTXDINT0 INT1 T0 T1 WRRD | 串行輸入口串行輸出口外部中斷 0外部中斷 1 計時器 0 外部輸入計時器 1 外部輸入外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 寫選通 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲 器讀選通 |
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(shù)據(jù)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 指令是 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(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號 將不出現(xiàn)。
/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)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）。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。
本課程采用 MPX4-DCC 作為顯示器。該顯示器由四個八段數(shù)碼管組成，如 圖 10 所示，該顯示器是共陰極顯示器，A、B、C、D、E、F、DP 與 P0 口相連，
1、2、3、4 與 P0 口的 P0~P3 相連。所以，當顯示器開始工作時，必須向 P0 口 寫 0。通過控制數(shù)碼顯示管的位選，來實現(xiàn)顯示溫度的目的。
Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到 單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的 完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟 件 三 合 一 的 設(shè) 計 平 臺 ， 其處 理 器 模 型 支 持 8051 、 HC11 、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等。
Proteus 軟件是英國 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具軟件（該 軟件中國總代理為廣州風(fēng)標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它 EDA 工具軟件 的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機及外圍 器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教
在 PROTEUS 繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以 在 PROTEUS 的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。
PROTEUS 不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行 過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示 實驗難以達到的效果。
它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應(yīng)。這在相當程 度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢 測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。
課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于 PROTEUS 提供了 實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗 室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、 創(chuàng)造精神的平臺
使用 Proteus 軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設(shè)計，是虛擬仿真技術(shù)和計算機多 媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作 能力。實踐證明，在使用 Proteus 進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作， 能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價值。
Keil C51 是美國 Keil Software 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(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯 的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理 和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境
KeilμVision2 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語 言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng) C 語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C 語言易 學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，可以在關(guān) 鍵的位置嵌入。Keil C51 標準 C 編譯器為 8051 微控制器的軟件開發(fā)提供了 C 語 言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51 編譯器的功能不斷增強，使 你可以更加貼近 CPU 本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51 已被完全集成到μVision2
名稱 | 規(guī)格 | 數(shù)量 |
普通電容 | 16pF | 2 個 |
晶振 | 12MHZ | 1 個 |
ADC0809 芯片 | 1 片 | |
AT89C51 芯片 | 1 片 | |
運算放大器 | LM324 | 1 個 |
電阻 | 16K | 1 個 |
電阻 | 10K | 4 個 |
電阻 | 90K | 1 個 |
電容 | 20PF | 1 個 |
恒流源 | 2.55mA | 1 個 |
熱電阻 | PT100 | 1 個 |
信號發(fā)生器 | 100u16V | 1 個 |
顯示器 | MPX4-CC | 1 個 |
電壓表 | -10V-10V | 1 個 |
調(diào)節(jié)熱電阻的“↓”和“↑”，觀察顯示器的示數(shù)找到環(huán)境溫度與示數(shù)之間的 線性關(guān)系，不斷調(diào)整程序使環(huán)境溫度與示數(shù)相對應(yīng)。
在這一環(huán)節(jié)，示數(shù)與溫度本來就是呈線性的，尋找示數(shù)與溫度之間的關(guān)系， 即找到示數(shù)與環(huán)境溫度相差多少。在原理上，顯示器上的實數(shù)是指經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后 的電壓值，并非環(huán)境溫度，所以，示數(shù)與環(huán)境溫度必相差一定的值，只要找到這 個值，并在程序中稍加改動，顯示器上顯示的數(shù)就可以看作是所測的環(huán)境溫度了。
由圖 15—圖 22 可知，本系統(tǒng)的最大誤差為±2℃，由于本系統(tǒng)的測量范圍 為-50℃—+110℃，所以，本系統(tǒng)的線性誤差為±0.0125。
數(shù)字溫度計是為了測溫而設(shè)計開發(fā)的。在單片機技術(shù)與熱電阻的巧妙結(jié)合 下，可以有效測出溫度，并實時數(shù)字顯示。
該系統(tǒng)雖然設(shè)計比較簡單，但是對所學(xué)的知識應(yīng)用的很多，對鍛煉實際能力 有很大的幫助。在查找資料和設(shè)計的過程中，對熱電阻傳感器、基本的測控輸入 通道、基本的信號調(diào)理電路有了比較深刻的認識。由于時間有限，并受 ADC0832 的精度限制，目前只能測量室內(nèi)的基本溫度，再加上 PT100 的線性只存在與理想 狀況下，實際操作中會產(chǎn)生一定的誤差，以至于不能達到更高的精度，有待提高。
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