毕业设计（论文）-基于恒流源的测温电路设计.doc

北京林业大学本科毕业论文(设计)I基于恒流源的测温电路设计基于恒流源的测温电路设计全套设计加扣3012250582摘要摘要本文简要介绍了温度传感器测量温度的方法以及铂电阻Pt100的特性，在此基础上阐述了基于Pt100的温度测量系统设计。在本设计中，是以铂电阻Pt100作为温度传感器，采用恒流源测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、AD转换器进行温度信号的采集。本设计采用了四线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及Pt100自身的误差，使测温精度在0100范围内达到0.1。本设计采用AT89S51单片机，ADC0801模数转换器，OP07运算放大器，铂电阻Pt100以及恒流源产生电路和4个数码管组成系统，通过KeilC51软件编写了相应的软件程序并在Protues软件上绘制电路原理图并仿真，使其实现温度的测量并显示。该系统的特点是：使用简便、测量精确、稳定、可靠、测量范围大、使用对象广。关键词：关键词：Pt100Pt100，温度测量，单片机，温度测量，单片机北京林业大学本科毕业论文(设计)IIDesignoftemperaturemeasuringcircuitbasedonconstantcurrentsourceAbstractThispaperdescribestheeasuringtemperaturebasedontemperaturecharacteristicsandcharacteristicofaPt100platinumresistancesensors.itelaboratedtemperaturemeasurementsystemdesignbasedonPt100.InthisdesignweusingaPt100platinumresistancetemperaturesensorusingaconstantcurrentsourcecontrolledbythemicrocontrollercollecttemperaturesignalacquisitionbyamplifierADconverter.ThisdesignadoptsfourwireplatinumresistancetemperaturemeasurementcircuitthroughthedesignofthecircuitreducesthemeasuringcircuitandPt100sownerrorthetemperaturemeasurementaccuracywithintherangeof0100to+-0.1.ThisdesignUSESAT89S51ADC0801ADconverterOP07amplifierPt100platinumresistanceandconstantcurrentsourcecircuitandfourdigitalcomposesystemthesoftwareprogramiswrittenbyKeilC51andtheschematicdiagramofthecircuitisdrawnontheProtuestherealizationoftemperaturemeasurementanddisplay.Thecharacteristicsofthesystemis:useofsimplemeasuringaccuracystableandreliablelargemeasuringrangewideusingfield.Keywords：Pt100，Temperaturemeasurementmicrocontroller北京林业大学本科毕业论文(设计)III目录1绪论绪论.41.1温度传感器的发展.41.1.1模拟式温度传感器.61.1.2数字式温度传感器.61.1.3.逻辑输出温度传感器.61.2温度传感器的应用方法.71.2.1.接触式温度传感器.71.2.2.非接触式温度传感器.72基于基于Pt100的温度计设计的温度计设计.92.1Pt100铂热电阻.92.2Pt100的接线方式.102.3读取Pt100温度值的方法.122.4系统功能定义及设计思路.132.5系统硬件工作原理.132.5.1单片机模块电路与AD转换电路.142.5.2温度测量电路.152.5.3恒流源电路.162.5.4放大电路与调理电路.172.5.5温度显示电路.172.5系统软件开发流程.183电路仿真的设计与分析电路仿真的设计与分析.2044结结论论.215致谢致谢.22参考文献参考文献.23附录附录AA.24北京林业大学本科毕业论文(设计)41绪论绪论温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业生产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数1。在工业控制过程中需要对控制对象进行温度监测，防止控制对象由于温度过高而损坏，因此温度的实时监测就显得更加重要。对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查、保护，并及时调整温度的高低。根据控制系统设计要求的不同，温度监测系统的设计也有所变化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。能够方便准确的测量物体的温度对于整个社会的发展具有很大价值。1.1温度传感器的发展温度传感器的发展随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，随着传感器的应用领域越来越广泛，对传感器的要求也越来越高，需求也越来越迫切。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。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器原理的分析和了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，从而适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器，其发展速度很快，应用范围非常广泛，并且还具有很大潜力。随着工业生产和科学研究的发展，人们对温度测量及控制的要求越来越高，具体表现在温度测量控制的精度、稳定性、可靠性等方面。特别是在高性能、高精度的器件的生产、标准检测领域的应用、高要求的实验环境的建立等方面，都有高精度温度控制仪表的需求。高精度的温度控制仪表实现就必然离不开高质量的温度传感器的使用。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：a.传统的分立式温度传感器热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。b.模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟北京林业大学本科毕业论文(设计)5集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。目前，光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等。光纤技术的发展，为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。而在高温领域，光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度，周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率T的预测都会给测量带来困难因此难于实现较高的精度。单辐射测温法所选波段越窄越好，可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小，从而影响其测量准确度。多波长辐射测温法是一种很精确的方法，但工艺比较复杂，且造价高，推广应用有一定困难。双波长测温法采用波长窄带比较技术，克服了上述方法的诸多不足，在非常恶劣的条件下，如有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒的环境中目标表面发射率变化的条件下，仍可获得较高的精度。半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。所谓传光型光纤温度传感器是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。这种类型主要使用数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。由于它利用光纤来传输信号，因此它也具有光纤传感器的电绝缘、抗电磁干扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光探测器的信号处理系统等组成。它体积小，灵敏度高，工作可靠，容易制作，而且没有杂散光损耗。因此应用于象高压电力装置中的温度测量等一些特别场合中，是十分有价值的。c.智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、AD传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平5。了解并掌握温度传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。温度传感器是一种利用敏北京林业大学本科毕业论文(设计)6感元件随着温度变化的特性，来实现对温度进行测量的装置。按照温度传感器的输出信号，可以分为模拟式温度传感器、数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器等。1.1.1模拟式温度传感器模拟式温度传感器热电偶、热电阻以及热敏电阻等是最早出现的模拟式温度传感器，这些类型的传感器的输出信号都是模拟量，如电压，电阻等。在进行温度测量的时候存在一定的非线性，在测量要求高的场合中，通常是需要进行冷端补偿或者引线补偿。同时，在测量温度时还存在着热惯性大、响应时间慢等的缺点。随着半导体技术的不断发展，出现了新型的集成模拟温度传感器。这类传感器将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路都集成在一片IC上，具有灵敏性好、线性度好、响应时间快、体积小以及使用方便等的优点。其中，典型的传感器有AD590、LM3911、TC1047A等。模拟传感器输出信号决定了其与微型处理器进行连接的时候，都需要进行AD转换，因此，采用这类传感器设计的系统硬件电路较为复杂。1.1.2数字式温度传感器数字式温度传感器这种类型的传感器可以直接将测量得到的温度值转换为数字信号量，所以可以方便的与单片机进行连接。根据温度值的表示形式数字式温度传感器可以分为数值表示、时间表示和频率表示三种形式。其中，数值表示的温度传感器有DS18B20等，时间表示的温度传感器有TMP0304等，频率表示的温度传感器有MAX6577等。1.1.3逻辑输出温度传感器逻辑输出温度传感器逻辑输出温度传感器常常用于设置有温度报警功能的系统中，这种传感器只有在温度超出一定的设定范围时才发出动作。这类传感器常常使用在比如电风扇、加热器、空调等一些家电的设计中。其中，典型的传感器有LM56、MAX6501等。1.2温度传感器的应用方法温度传感器的应用方法温度是表征物体冷热程度的物理量，温度信号也是工业现场常见的物理参数。由于温度是一个非电量的物理信号，因此需要先将温度信号通过传感器转换为电信号后才能进行下一步处理。面对多样的温度传感器，如何选取合适的温度传感器对于一个温度控制系统就非常重要。常见的温度传感器根据使用方法的不同，可以分为接触式与非接触式两大类。1.2.1接触式温度传感器接触式温度传感器北京林业大学本科毕业论文(设计)7接触式的温度传感器是根据热平衡原理来进行设计的，能够获得较高的测量精度，但是，传感器需要与被测物体接触才能测量，存在测温的延时现象，容易破坏被测物体本身的热平衡状态。接触式温度传感器一般被用于测量温度不高（1000以下），被测物体无腐蚀性的场合。常见的接触式温度传感器有：热电偶、热电阻等。1.2.2非接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式的温度传感器一般是根据辐射测温原理设计的，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。具有测温响应较快，不用与被测物体相接触等特点，但是，受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水蒸气等的外界因素的影响，会产生较大的测量误差。由于非接触式温度传感器的测量的温度范围很大（-50+6000），并且，可以测量移动的物体，因此常用于测量环境较差的场合。常见的非接触式的温度传感器有光电高温计、辐射温度计、比色温度计等等。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用较多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如PT100、PT1000等。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等5。北京林业大学本科毕业论文(设计)82基于基于Pt100的温度计设计的温度计设计2.1Pt100铂热电阻铂热电阻在本次设计中采用的是Pt100铂电阻，Pt后的100即表示它在0时阻值为100，在100时它的阻值约为139.1。Pt100铂电阻具有测量范围广：-200+650的测温范围，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压及高性能价格比等诸多优点，被作为测热元件广泛应用于生产、科研等诸多行业10。Pt100铂电阻的测温电路有较多接法，比如二线制，三线制以及四线制等等。工业生产中应用较多的是三线制接法，这种接法可以较好的消除引线电阻的影响。本文采用的是四线制接法，这种接法的稳定性好，精度高，适用于测量较为精确的场合。Pt100的信号获取电路一般有两种，分别是电桥式与恒流源式，后者较前者更加精确，因此本设计采取的是恒流源式。Pt100铂热电阻是一种精度高、线性度好、测量范围宽的温度传感器。在0时Pt100铂热电阻的阻值为100，且随着温度上升阻值呈近似匀速增长，阻值-温度曲线趋近于一条直线3。Pt100热电阻是利用金属半导体材料在温度变化时自身的电阻值也随之发生变化的特性来测量物体的温度的。热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：测温范围：-200+850；允许偏差值（）：A级（0.15+0.02|t|），B级（0.30+0.05|t|）；最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允许通过的通电流5mA；除此以外，Pt100电阻还具有抗震动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。Pt100的线性好，在0100变化时，最大非线性偏差小于0.5。Pt100是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压这一模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由单片机换算出相应温度5。Pt100铂电阻的工作原理：已知电阻与温度的关系，用测量电阻的方法来推算出温度。Pt100铂电阻的阻值与温度之间的关系可表示为：Rpt=R01+AT+BT2+C(T-100)T3（式1)其中，Rpt为环境温度T下Pt100铂电阻的电阻值；R0为0时Pt100铂电阻的电阻值；A=3.908310-3；B=-5.77510-7；C=-4.18310-12。根据式1，可以得到Pt100铂电阻在各个温度北京林业大学本科毕业论文(设计)9下的电阻值3。Pt100是电阻随温度的变化而变化，通过测量其电阻来推算出被测物体温度的温度传感器。它是典型的接触式、模拟量输出的温度传感器，具有灵敏度高、稳定性好等的优点，是工业上常用的温度测量装置。2.2Pt100的接线方式的接线方式如下图所示根据Pt100引线的数量可以将接线方式分为两线制、三线制和四线制三种方式。两线制是通过Pt100两端各接一根导线的方式引出电阻信号，这种引线方式非常简单，传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。二线制接法如图2.1，误差为r1+R2。图图2.1Pt100的二线制接线方式的二线制接线方式Fig.2.1Pt100Pt100connectionconnectionlineline三线制是在Pt100的其中一端引出一根导线，另一端引出两根导线的接线方式。要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量Pt100的电路一般是不平衡电桥，Pt100作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到Pt100所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响。这种引线方式可以较好的消除引线电阻的影响，也是工业中较为常见的方式16。采用这种两种引线方式的Pt100常常采用电桥法进行测量，如图2.2。北京林业大学本科毕业论文(设计)10图图2.2Pt100的三线制接线方式的三线制接线方式Fig.2.2Pt100Pt100connectionconnectionlineline四线制是从Pt100两端都接两根引线，在这个方式下的Pt100一般都采用恒流源法进行测量，如图。其中两条导线用于将电阻信号转换为电压信号，另外的两条导线则是负责将电压信号送入下一级处理单元中。四线制用两条附加测试线通一恒定电流，另两条测试线测量铂电阻Pt100的电压降，在电压表输入阻抗足够大的情况下，电流几乎不流入电压表，因此可以测量铂电阻Pt100的压降，通过计算得到电阻值。由于四线制的Pt100可以有效消除引线电阻的影响，因此常用于温度测量精度要求较高的场合。图图2.3Pt100的四线制接线方式的四线制接线方式Fig.2.3Pt100Pt100connectionconnectionlinelinePt100恒流源驱动电路中PT1和PT4两条引线属于恒流源动力引线，负责将铂电阻传感器连接到恒流源，放大电路中PT2和PT3两条引线输入传感引线，负责将铂电阻传感器的电压连接到放大电路。由此将驱动Pt100的恒流源与温度检测电路分开保证即使PT1和PT4两条引线电阻出现压降也不会影响测量的准确性。本次设计采用的就是四线制接法5。北京林业大学本科毕业论文(设计)112.3读取读取Pt100温度值的方法温度值的方法读取Pt100的方法主要有两种，一种是查表法，另一种是线性插值算法。查表法是指在单片机的ROM存储区间中建立一个电阻与温度之间的分度表。当测量温度时，通过软件先计算出的Pt100的电阻值，然后通过与分度表中的电阻值比较从而得出被测物体的温度值。线性插值算法是指通过在已知的Pt100分度表中，如表2.1，将温度的变化曲线分成相应的几段，然后再在每段分别找到一个最佳的函数关系来表示出Pt100的电阻值与被测物体温度之间的关系。由于在每段都是采用了一个函数关系式，因此，这种方法在程序时较为简单。本次设计中采用的就是线性插值算法。首先根据系统的测温范围将曲线分成四小段，每100为一段，其电阻值与温度值之间的关系如下：当0t100时，t=2.558RPt100-256.02（式2）当100t200时，t=2.637RPt100-267.01（式3）当200t300时，t=2.721RPt100-281.9（式4）当300t400时，t=2.81RPt100-300.94（式5）表表2.1Pt100电阻分度特性表电阻分度特性表Table.1Pt100resistanceindexcharacteristictable温度（）0123456789电阻值（欧姆）0100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.6710103.96104.36104.75105.15105.54105.91106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.4630111.85112.25112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.3940115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.3150119.70120.09120.43120.87121.26121.65122.01122.43122.82123.2160123.60123.99124.38124.77125.16125.55125.94126.33126.72137.1070127.49127.88128.27128.66129.05129.44129.82130.21130.60130.9980131.37131.76132.15132.54132.92133.31133.70134.08134.47134.8690135.24135.63136.02136.40136.79137.17137.56137.94138.33138.72北京林业大学本科毕业论文(设计)12100139.10139.49139.87140.26140.64141.02141.41141.79142.18142.662.4系统功能定义及设计思路系统功能定义及设计思路本系统采用Pt100温度传感器进行设计，温度的测量范围设置在0+400之间，分辨率为，温度显示设置为小数点后1位数据。Pt100四模拟量输出温度传感器，随温度变化的是电阻，因此，需要通过模拟电路将电阻转换为电压，然后经过放大电路处理后再送入AD转换器。常用的方式有桥式变换和恒流源两种，本设计采用的是后一种方式。系统分辨率为2，所以可以选用8位AD传感器实现设计。由于要完成小数点后一位的显示，所以采用四个数码管设计，每个数码管通过晶体管进行驱动。2.5系统硬件工作原理系统硬件工作原理本设计系统中的硬件电路包括单片机模块电路、AD转换模块电路、温度测量电路、显示模块电路等四部分。整个系统的电路图如下图所示：图图2.4系统电路图系统电路图Fig.2.4Thesystemcircuitdiagram2.5.1单片机模块电路与单片机模块电路与AD转换电路转换电路如图所示为单片机模块电路和AD转换模块电路。北京林业大学本科毕业论文(设计)13图图2.5单片机模块电路与单片机模块电路与AD转换电路转换电路Fig.2.5TheMCUmodulecircuitandTheADconversioncircuit上图中采用AT89S51单片机作为主要控制电路，其中，单片机工作频率为11.0592Mhz，设有上电复位和手动复位两种复位方式，单片机的P0端口通过上拉电阻与ADC0801的数据输出端连接，P2端口的低四位分别用于控制4位LED的显示，最高位P2.7连接到ADC0801的片选端，用于启动AD转换和读取转换之后的数据值。AD转换之后的输出信号INTR连接到单片机的P3.3引脚。P3.6端口和P3.7端口分别连接ADC0801的写读控制端口。在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用了ADC0801模数转换器。ADC0801采用双列20脚封装，8位模数转换器，MOS型，电源电压4.56.3V，典型工作电压5V，基准输入电压0.3VS+0.3V，模拟输入电压0.3+S+0.3V，输出驱动电流2mA，功耗10mW。采用逐次逼近型大的工作方式，具有差动输入，基础电压外接，内部外部转换时钟等的功能。ADC0801引脚图如下：图图2.6ADC0801引脚图引脚图Fig.2.4ADC0801Pinfigure北京林业大学本科毕业论文(设计)14其中各端口为：CS：芯片选择引脚，低电平有效；RD：数据读取引脚，低电平有效；WR：开始转换引脚，低电平有效；INTR：完成转换引脚，低电平有效；CLKIN：时钟脉冲输入引脚，可以配合CLKR引脚，加以外加的电阻、电容，由内部电路自行产生时钟脉冲；CLKR：时钟脉冲输出引脚，可以连接电阻以产生时钟脉冲；VREF2参考电压输入引脚；VIN+：模拟电压输入引脚，所输入的模拟电压不得超过VREF2引脚的电压；VIN-：模拟电压输入引脚；VCC：电源引脚或参考电压输入引脚，通常是连接+5V参考电压，以作为电源用；DGND：数字信号接地引脚；AGND：模拟信号接地引脚；DB0DB7：数字输出引脚，本设计中直接连接单片机的数据总线。82.5.2温度测量电路温度测量电路如图所示是系统的Pt100温度测量电路图。图图2.7温度测量电路图温度测量电路图Fig.2.7Temperaturemeasurementcircuitdiagram在图中，最左侧是由放大器OP07、稳压源TL431和精密电阻构成的一个给Pt100供电的恒流源，恒流源的电流值为1mA。通过恒流源电路可以将Pt100上的电阻值变化转换为电压值变化。2.5.3恒流源电路恒流源电路恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。恒流源电路的结构形式如图所示。北京林业大学本科毕业论文(设计)15图图2.8恒流源电路恒流源电路Fig.2.8Constantcurrentsourcecircuit上图中，流过R29的电流为1mA，TL431为高精度的电压基准源，产生参考电压Vref=2.500V，R26一般取1K。由于运算放大器OP07的同相端接地，所以当R29取25K时(同时，忽略线性校正反馈电阻RP1)，则流过R29(即流过温度传感器Pt100)上的电流为2.52500=1(mA)。即为恒流方式工作。1恒流源电路是该系统测温电路的关键部分，其恒流的稳定性以及输出电流的大小对温度检测系统的准确度有很大的影响。在本设计的恒流源电路中，OP07与TL431都符合这些要求。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300VmV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。TL431是由德州仪器生产，所谓TL431就是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。其封装形式如下图所示。北京林业大学本科毕业论文(设计)16图图2.9TL431封装封装Fig.2.9TheTL431packaging2.5.4放大电路与调理电路放大电路与调理电路本设计中采用OP07运算放大器作为放大电路的主要部分。电路图如下图所示。在图中，R27和RV1为调零电路，目的是为了消除温度传感器的偏压。R28和RV1构成跨度调节电路，目的是为了使输出电压总是在0V5V之间。1图图2.10放大电路与调理电路放大电路与调理电路Fig.2.10AmplifyingcircuitAndTheconditioningcircuit2.5.5温度显示电路温度显示电路温度显示电路如下图所示，其中选用的是7位共阳极数码管，采用PNP对数码管进行驱动。4个晶体管分别连接到单片机P2.0到P2.3端口，基极为低电平时晶体管导通，被选中的数码管可以接受单片机P0端口送出的显示码。北京林业大学本科毕业论文(设计)17图图2.11温度显示电路温度显示电路Fig.2.11Temperaturedisplaycircuit当测温对象的温度改变时，Pt100的阻值发生变化，此时会输出相应电压信号，这个信号与Pt100的阻值成函数关系。将这个毫伏级信号经过仪表放大器放大后传给AD芯片，AD芯片将模拟量变为数字量并被单片机读取。单片机从AD芯片读取芯片后执行中值滤波程序，将稳定的数字量通过运算转换为Pt100的阻值，而后单片机会根据这个阻值的大小选择相对应的线性模型从而算出当前的温度值，最后将温度数据通过数码管显示出来。2.5系统软件开发流程系统软件开发流程进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在测量控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件设计更为重要。在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。本设计的软件功能是以1s的采样时间通过AD转换器对Pt100两端的电压进行读取，每测量11个数据后进行一次中值滤波。然后，将滤波后得到的电压值转换为测量的温度值传入LED中完成显示。本设计主要是对温度进行采集、显示。整个软件分为主程序、AD转换子程序、温度转换子程序、显示子程序、T0中断子程序等，各个部分程序的功能分别为：主程序通过调用各个子程序来实现整个程序功能；AD转换子程序是读取ADC0801转换后得到的温度测量电路的电压值；温度转换子程序是将读取到的AD转换值计算为温度值；显示子程序主要通过数码管完成对得到的温度值的显示；北京林业大学本科毕业论文(设计)18T0中断子程序用于对T0终端进行初始化设置，并且在T0的中断服务程序中完成对电压值的数据采集。各部分程序代码见附录。北京林业大学本科毕业论文(设计)193电路仿真的设计与分析电路仿真的设计与分析ProtuesISIS软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC101216182430DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。Protues软件具有其它EDA工具软件的功能。比如原理布图、PCB自动或人工布线以及SPICE电路仿真等。它还具有一些革命性的特点，比如：互动的电路仿真以及仿真处理器及其外围电路。它还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境，功能十分强大5。打开Protues，根据本次设计的原理图绘制出电路仿真图，然后根据元件的属性设置相应元件的参数。通过Protues软件与KeilC51软件联机进行调试，先将程序通过第三方KeilC51软件编译，连接，执行后产生一个.hex文件。Protues软件的仿真是依靠单片机程序来实现的，在Protues中选定好相应的单片机型号后，再将之前生成的.hex文件导入到仿真图中的单片机上进行关联就可以实现仿真。在仿真过程中由于软硬件影响，还有人为计算误差因素，使得测量温度结果与理想测量结果存在一定的误差，因此可以通过改变硬件参数和软件程序设计来减少误差。北京林业大学本科毕业论文(设计)2044结结论论本设计是采用恒流源通过Pt100铂热电阻传感器得到一个电压模拟信号，然后将这个信号送入ADC0801模数转换器将其转换为数字信号，并传输到AT89C51单片机中进行处理和计算，最后将测得的温度显示在数码管上。在设计的过程中，遇到了许多的小问题。通过KeilC51与Protues的联机调试，根据程序的每一步进行单步运行，逐步发现并解决了问题。在Protues调试的过程中，由于单片机模块电路和显示模块电路与温度测量电路之间连接出现了障碍，不断的改变电路，更换元件，最后成功调试出结果这个过程还是比较艰难的。本次设计中的重点和难点是在如何将Pt100铂热电阻的电阻值转换为电压值进行测量以及将测得的电压值转换为数字信号。通过本次设计，我对于传感器的知识有了更进一步深入的了解与学习，使我的理论知识得到了加强，对于KeilC51中的程序编写与调试加强了学习，在使用Protues的过程中，学习到了各种元器件的功能、参数设定，对于原理图的绘制更加的熟练，并且对电路方面的知识重新进行了复习。本次设计大约历经两个月，从一开始的查阅资料，阅读相关文献，到确定方向，进行设计，最后不断调试程序修改电路图，我从这里面学到了很多，加强了我的阅读理解能力，实际操作能力，学到了很多理论知识，对于目前传感器的发展与研究更新了自己的想法，对于单片机开发应用和编程控制的理解更加深刻，对于电子技术行业产生的浓厚的兴趣。当然，我也认识到了自身还有许多的不足之处，在整个设计的过程中出现了各种各样的问题，甚至一度想换课题，但最终是在老师和同学的帮助下，解决了不少问题，发现并排除了bug，重新找回了自信心，并且学到了要学会保持沉着冷静的心态，不能急躁自身的整体能力得到了非常好的锻炼。通过不断地学习进步，不断地修改程序与电路图，基本完成了初步设定的目标，可以通过仿真实现温度的调节，并且能够实现在数码管上的实时显示。此外，本设计还可添加温度报警装置，在实时测量温度的同时对于超出规定范围的温度进行报警，还可以添加多路测温并将采集的数据进行传送保存的功能，使设计增加更多功能，更加适应工业化和信息化的发展。通过本次设计，检测了大学四年的所学知识，使我意识到了自己还有许许多多的不足，对专业知识的学习不够深入，让我深刻认识到了理论联系实践的重要性，是一个不断进步的过程，为今后的发展打下了基础。北京林业大学本科毕业论文(设计)215致谢致谢在本次设计的过程中，我得到了指导老师霍虎老师热情的帮助，在我遇到困难的时候，能够耐心的为我解决问题，聆听我内心的想法，一直关心我此次设计的过程和进度，督促我完成本设计，教授我解决问题的方法，给我指出不足与缺陷，指明了方向，培养了我独立思考的能力和动手操作的能力。在这里非常感谢老师的帮助，并致以诚挚的谢意。同时，也要感谢设计过程中一直为我提供帮助的同学们，还有在论文撰写时为我提供样式与规范的同学的热情帮助，这些帮助对我是不可或缺的，也向他们致以诚挚的谢意。还要感谢与本文相关的参考文献的作者表示感谢，这些资料对于本文也非常的有帮助。还有在学习电子信息科学与技术专业四年以来，一直对我提供支持与帮助的老师和同学们，在平时的学习生活中，不断的鼓励我，支持我不断向前。非常感谢学校和学院在这四年里也是一直为学生着想，努力为学生提供更好的学习环境，让我们能够更加专心于学习知识。由于本人的学术水平有限，本文难免有不足之处，还望各位老师能够批评指正。北京林业大学本科毕业论文(设计)22参考文献参考文献1金伟正.实用四线制PT100测温电路研究J.电子测量技术2000(2):27-28.2王超唐浩黄林.基于Pt100型铂热电阻的温度测量和控制系统J.仪表技术2013(2).3于铄航李建新贺琳.基于Pt100的铂热电阻设