论文（设计）--课设二铂电阻传感器的课设论文.doc

引言 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，温度湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温湿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，所以温度传感器就会相应产生。温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器/控制器；(3)智能温度传感器。国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原路构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性： 电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。 电阻率高，热容量小，反应速度快。 材料的复现性和工艺性好，价格低。 热敏电阻温度特性 在测温范围内化学物理特性稳定。 目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。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，研发并生产了pt100热电阻温湿度传感器。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%。常见的pt100感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。1. 设计任务及要求题目：基于铂热电阻的温度测量仪器的设计设计任务与要求：1. 理解铂电阻测温的原理；2. 理解数模转换器的原理以及与mcu的接口方法；3. 理解显示器与mcu的接口方法；4. 编程实现温度的测量及显示;5. 测量温度范围：0200。2. 方案设计和选择2.1 方案设计 方案一:pt100铂热电阻在0c200c温度范围内，阻值变化是100175.86，其本身的电压也会变化，通过与一个200的电位器组成差分放大电路，通过运算放大器放大输出电压差值，再通过ad0809的数模转换和单片机的处理，从而实现在数码管上显示采集到电压值，但注意要差分调零，可以实现05v的电压输出。方案二：:pt100铂热电阻在0c200c温度范围内，阻值变化是100175.86，其本身的电压也会变化，将其本身的电压通过一定的放大倍数得到相应的电压值，再通过ad0809的数模转换和单片机的处理，从而实现在数码管上显示采集到电压值。2.2 方案论证及选择由于差分放大电路可实现当铂热电阻为时，调节相应的电位器可使此时的输出为0.当pt100铂热电阻的电阻值继续增大时，输出的电压也由0开始增大，而方案二的输出电压只能从某个非0的正数开始增大，因此方案一的输出电压范围比方案二大，从而选择方案一。3. 系统框图 图1 系统框图4电路图及电路的工作原理本系统主要由两个电路组成，一个是温度采集电路，一个是ad转换及数码管显示电路。 图2 温度采集电路u1a和u1b为电压跟随器，rt为铂电阻，调试时先把rt短接，调节rp1和rp2两个滑动变阻器，当rp2调节到100时，调节rp1使op07的2管脚和3管脚的电压相等，则op07的右管脚输出电压为0v。调零后在调rp2，则op07的3管脚的电压增大，经过放大后输出电压到单片机ad0809。图3 ad转换及数码管显示电路输出的电压输入到adc0809的in0口，把模拟量转换成数字量。再把数字量输入到at89s52的p1口，进行电压和温度的转换和处理。再根据at89s52单片机里面的程序进行数字量到温度的转换，从p2.0p2.3口读取转化输出位码，从p00p07口输出段码，送至数码管进行温度显示。三极管和上拉电阻为了保证数码管足够的亮，d触发器起到分频的作用，按键开关实现复位的功能。5.单元电路的设计、参数计算和器件选择5.1温度采集电路 图4 温度采集电路当rp3/r1=r4/r2时，放大倍数为rp3/r1。当rp3/r1不等于r4/r2时op07的第6管脚输出电压u0为 （5-1）u2为u1a输出的电压，u3为u1b输出的电压。本模块输出电压范围为0v5v。稳压管稳压5.1v左右，过大的电压使稳压管击穿，则稳压在5.1v左右。 当输出电压为0v时对应得温度为0，当输出电压为5v是对应温度为 200。器件选择：1） 由于1个ne5532有两个放大器，所以选择ne5532。2） ad0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，因此需要一个5v稳压二极管。3） 由于pt100铂热电阻通过的最大电流是5ma,所以电源电压为5v/5ma=1k,所以r6为1k的电阻，为使方便差分电路的调零，所以对称的电阻r5也为1k。4） 由于rp2是代替pt100铂热电阻的，其阻值变化是100175.86，所以rp1和rp2选择200的电位器。综上所述，选择器件为ne5532,adop07, 5v稳压二极管,4个1k的电阻，2个200和1个50k的电位器。5.2 ad转换及数码管显示电路5.2.1 ad0809转换电路 图5 ad0809引脚图1、ad0809 的逻辑结构 adc0809 是8 位逐次逼近型a/d转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码 器、一个a/d 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。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、ad0809 的工作原理及引脚功能 in0in7：8 条模拟量输入通道 。adc0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，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：4条 。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，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in0in7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 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 数字量输出及控制线：11 条 st 为转换启动信号。当st 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。oe1，输出转换得到的数据；oe0，输出数据线呈高阻状 态。d7d0 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。 3 、adc0809 应用说明 （1） adc0809 内部带有输出锁存器，可以与at89s51 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了。 5.2.2at89s52 at89s52是一种低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k 在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得at89s52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。1）引脚功能p0 口：p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻 辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复 图6 ad0809用。在这种模式下， p0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p1 输出缓冲器能 驱动4 个 ttl 逻辑电平。对p1 端口写“1”时，内上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。 此外，p1.0和p1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和定时器/计数器2 的触发输入（p1.1/t2ex）。 在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能： p1.0 t2（定时器/计数器t2的外部计数输入），时钟输出 p1.1 t2ex（定时器/计数器t2的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5 mosi（在系统编程用） p1.6 miso（在系统编程用） p1.7 sck（在系统编程用）p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲能驱动4个ttl逻辑电平。对p2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行movx dptr） 时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如movx ri）访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 ttl 逻辑电平。对p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。 p3口亦作为at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能： p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd(串行输出口) p3.2 into(外中断0) p3.3 int1(外中断1) p3.4 to(定时/计数器0) p3.5 t1(定时/计数器1) p3.6 wr(外部数据存储器写选通) p3.7 rd(外部数据存储器读选通) 此外，p3口还接收一些用于flash闪存编程和程序校验的控制信号。 rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该位置位后，只有一条movx和movc指令才能将ale激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale禁止位无效。 psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89s52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次psen信号。 ea/vpp：外部访问允许，欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp。 xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 2）时钟产生产生电路片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，cpu的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2mhz12mhz之间选取。c1、c2是反馈电容，其值在20pf33pf之间选取，典型值为30pf。本电路选用的电容为30pf，晶振频率为12mhz10。这样就确定了单片机的4个周期分别是：振荡周期1/12；机器周期（sm）；指令周期。xtal1和xtal2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在xtal2线上输出一个3v左右的正弦波，以便使单片机片内的osc电路按石英晶振相同频率自激振荡。osc的输出时钟频率fosc为0.5mhz-16mhz，典型值为12mhz或者11.0592mhz。电容c1和c2可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调fosc的目的。3）单片机复位电路单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器cpu以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的rst引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。单片机的rst引脚是复位信号的输入端。例如：若单片机时钟频率为12mhz，则复位脉冲宽度至少应该为2s。5.2.3 数码管在单片机系统中，通常用led数码显示器来显示各种数字或符号，由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。 （a） 外形与引脚 （b）共阴极结构 （c）共阳极结构图7 led数码管引脚共阴极与共阳极接法八段led显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光管排列成一个“日”字形，另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。led显示器有两种不同的连接形式,一种是8个发光二极管的正极连在一起，称之为共阳极led显示器，另一种是8个发光二极管的负极连在一起，称之为共阴极led显示器。由图7可以看出，共阳和共阴结构的led显示器各笔划段名的安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划段就发亮，由发亮的笔划段组合而显示出各种字符。八个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴led显示器，当公共阴极接地（零电平），阳极hgfedcba各段为01110011时，显示器就显示“p”字符，即“p”字符的字形码是73h；而如果是共阳极led显示器，公共阳极接高电平，显示“p”字符的字形代码应为10001100（8ch）。综上所述，模块二器件选择有：at89s52,adc0809,4位一体的共阴极数码管，d触发器，三极管，排阻，12m的晶振，2个30pf的电容，按键开关，或非门（但后面证实可以不用）。开始6 程序流程图数据处理，并显示百，十，个位oe=1;输出数据nyi/0口定义初始化st=0;oe=0;st=1;启动adc0809开始转换转换是否结束？结束7 电路的组装调试7.1使用的主要仪器和仪表用5v和正负12v的电压源供电和使运算放大器正常工作，数字万用表测采集模块的输出电压和各点的输出电压，测电路板各点是否连上。7.2 调试电路的方法和技巧 1）先用万用表检查各条线路是否开路，各线路之间是否开路，这个环节不可忽视。技巧是除了按照pcb检查电路外，还可以按照工作原路依次测量各个引脚是否连接上。2）若采集模块的输出电压为0或为负值，可以一次测ne5532的两个运放的输入输出值，再测后面放大器op07的输出输出。再依次调节电位器rp1,rp2,rp3的输入的电阻的大小，测以上几个点的电压是否变化。技巧是先测运算放大器是否处于所需的电压下正常工作。3）在采集模块电路中，有一个差分调0问题。技巧是由于铂电阻变化是100175.86，在200电位器的变化范围内，可以先把rp1先调到100左右，再调rp1使得输出电压为0；之后rp1不再调节，一直保持这个阻值，调rp2使得其阻值变化到176左右，测此时的输出电压，若输出电压不等于5v，改变op07的放大倍数，即调节rp3使输出电压接近5v就可以了。4）adc0809 对输入模拟量要求是信号单极性，电压范围是05v，为了输出电压不超过5v。技巧是可在输出端加一个5v的稳压管。5）为使铂电阻随温度变化而变化，其变化的电阻所得的分压直观显示出来，技巧是用铂电阻直接代替rp2，这样可以让电压更好的线性变化。7.3 测试的数据及相关数据处理调0后，开始相关测量数据。得到以下数据：当rp2=100.8，rp1=100.7时，u1a的1号引脚电压为u11=0.487v,7号引脚电压为u17=0.488v,输出电压a0=0.0003v,接近于0v。当rp2=100.8，rp1=176.4时，u1a的1号引脚电压为u11=0.487v,7号引脚电压为u17=0.753v,输出电压a0=4.998v。ai=0.753-0.487=0.266v, av=4.998/0.753=6.647.4 调试中出现的故障原因及排除方法1)三极管不够亮，排除方法是通过三极管和上拉电阻来使得电压更亮。2)在调试过程中电位器调到其一定值后不再变化，导致输出的电压也不再变化。排除方法是从电位器的总值的一半开始调，若其阻值不再变了，可向相反方向调。3）由于铂电阻的阻值变化范围成线性变化，为使测得的结果也为线性变化，解决方法是直接将铂电阻的电压通过差分电路与一定值比较放大输出。8测试结果采集模块可实现05v的电压输出，通过ad0809的ad转化，数码管可显示一定的变化范围，但采集模块还是不太稳定。另采用方案二做了一块温度采集电路板，由于没有差分电路的调0功能，是直接将铂电阻本身的电压值输出放大的，所以只能实现电压2.84.8v的电压输出。9. 总 结9.1 总结设计电路的特点和方案的优缺点 优点：采用方案二做成的温度采集模块输出的电压范围很理想，覆盖了05v的电压范围。其实这个电路也是一个电桥电路。数码管也够亮。缺点：成本较高，温度采集模块用了2个芯片，且第二个模块的或非门其实是可以不要的。9.2 心得与体会 由于传感器刚学，只是掌握了理论知识，刚知道这个课设题目时心里有些害怕。本人做了一块温度采集电路的板子，但由于考虑不太充分，通过半天的调试只能实现电压2.84.8v的电压输出。为达到实现05的输出电压，利用差分原理连续做了2块板，通过两天的检测与调试，终于实现了05的电压输出。在第二块板中，开始是用at89s52的p0口复用的。但通过实践发现自己的用汇编语言编程真的很有限，后来改为用c编程，改了8条线，板子被我弄得接近面目全非。 课设一做数字秒表画pcb时用了很细的0.4mm的线和1.0mm的焊盘，最后成功了。所以课设依旧如此，但这次不是那么顺利，有一次当天调好了，第二天结果又不理想了，用数字万用表测试，有3条线断路，4个焊盘松动，所以决定毕设时一定要谨慎点了。参考文献王煜东编著，传感器应用电路400例，北京：中国电力出版社，2008王选民编著，智能仪器原理及设计，北京：清华大学出版社，2008黄冰，覃伟年，黄知超编著，微机原理及应用，重庆：重庆大学出版社,2004贾伯年，俞朴，宋爱国编著，传感器技术（第三版），南京：东南大学出版社，2009何希才，任丽颖编著，使用传感器接口电路实例，北京：中国电力出版社，2007康华光编著，电子技术基础模拟部分（第五版），北京：高等教育出版社，2006白驹珩，雷晓平编著，单片计算机及其应用（第二版），北京：高等教育出版社，2005附录 图8ad转换及显示电路原理图 图9 温度采集电路原理图图10ad转换及显示电路pcb 图11 温度采集电路pcb课程设计元器件清单学号： 0800820206 姓名： 文莲花 课题： 基于铂电阻的温度测量 序 号名 称数 量单 价备 注1单片机89s5212单片机80s51底座13a/d转换adc080914a/d转换adc0809底座15四位一体共阴极数码管16四位一体共阴极数码管底座17三极管901438sn74ls74an（d触发器）29sn74ls74an（d触发器）底座210ne5532111ne5532底座112单片机下载口2*5113排阻1k（8个一体）114电容22pf215晶振12mhz116电阻30k117电阻1k418电阻10k319电位器50k120电位器200221瓷片电容122稳压管2v123 运放adop07aq124电解电容22uf125 运放adop07aq底座126按键开关127插针1*40128单面板10*10129双面板15*151程序 #inc