毕业设计（论文）-基于Pt100测温系统的设计.doc

z 基于 Pt100 测温系统的设计 学生学号：0 xx 学生姓名：xx 专业班级：xx 指导教师：xx 职 称：xx 起止日期：2011.03282011.04.15 xiiiiiii 基于Pt100 测温系统的设计 2011 年硬件课程设计任务书 一一、设设计计题题目目：基于C8051F410 的热电阻测温仪表的设计 二二、设设计计目目的的: 1熟悉Keil uVision 开发软件 及Protel 电路设计设计软件的使用。 2. 掌握C8051F410 单片机体系结构及C 语言程序设计方法。 3掌握热电阻测量的三线制原理及信号调理电路的设计。 4. 掌握智能测量系统的校准原理。 三三、设设计计任任务务及及要要求求 1学习C8051F410 单片机体系结构及程序开发。 2设计热电阻测温电路，并应用Protel 画出其电路原理图。 3完成C8051F410 的热电阻测温系统的焊装和硬件调试。 4. 编写完整的实验程序，进行整机调试。 5. 撰写设计说明书。 四四、设设计计时时间间及及进进度度安安排排 设计时间共三周,具体安排如下表： 周次设 计 内 容设计时间 第一周 1学习C8051F410 单片机体系结构及程序开发； 2设计热电阻测温电路，并应用Protel 画出其电路原理 图。 第二周 1完成C8051F410 的热电阻测温系统的焊装和硬件调试； 2. 编写实验程序。 第三周 1.整机调试； 2.撰写设计说明书； 3.答辩。 四四、考考核核内内容容 1出勤、学习态度以及纪律情况； 2设计完成情况及设计说明书完成质量； 3答辩。 综合以上考核内容给出硬件课程设计总评成绩。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 III 目录 摘要.IV 第一章 概述.1 第二章 设计方案及原理.2 2.1 传感器的选择 .2 2.2 OP07 的选择 .2 2.3 方案论证 .3 2.4 基本工作原理 .3 2.5 整体方案设计 .3 2.5.1 系统工作流图.3 2.5.2 热电阻的工作原理.4 2.5.3 热电阻的信号连接方式.4 第三章 总体设计.6 3.1 温度采集及信号处理模块.6 3.1.1 采集模块.6 3.2 数码管显示电路.8 第四章 核心部件.10 4.1 C8051F410 概述 .10 4.2 I/O 设备 .11 4.2.1 端口简介.11 4.3 A/D.11 4.3.1 12 位ADC 简介 .11 4.4 定时器 .11 4.4.1 简介.11 第五章 系统电源.12 5.1 电源模块.12 第六章 软件部分.14 6.1 编程软件 .14 6.2 编程语言 .16 6.2.1 C 语言发展沿革.16 6.2.2 C 语言特点.16 基于Pt100 测温系统的设计 6.3 程序流程图.17 6.4 关键程序 .18 6.5 硬件和软件调试.18 6.5.1 硬件出现的问题.18 6.5.2 软件调试出现的问题.18 6.5.3 软件调试结果.19 第七章 结束语.20 主要技术要求.21 参考文献.22 附录（）程序.23 附录（）整体电路图.31 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 V 摘摘要要 本文首先简要介绍了铂电阻PT100 的特性以及测温的方法，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 恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、 A/D 转换器进行温度信号的采集。 另外，还设计了LED 数码管显示电路，能实现对温度的显示。本设计采用了三线制铂 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，使温控 精 度在0100范围内达到0.5。 本文采用C8051F410 单片机，OP07 放大器，铂电阻PT100 及4 位数码管组成系统，编 写了相应的软件程序 ,使其实现温度的显示。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 ,稍加改动之后应用会更加广泛。 关键字：Pt100 热电阻；OP07 运放； 信号采集 A/D ； C8051F410 单片机 ； 温度测 量； 数码管显示； 电源 z 基于Pt100 测温系统的设计 第第一一章章 概概述述 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，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。因此，了解并掌握各类 传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 温度是日常生活中最常见的物理量，从工业、农业、生活等各个技术领域都离不开测温和 控温，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，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现 代科 技发展的一个必然趋势。 由于温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，所以温传感器就会相应产生 随着现代电子技术的发展，对温度的测控技术提出了更高的 要求。而实验证明：Pt100 热电阻是稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器 ,可以工作 在 -200 至 850 的范围，测量精度高，可用作标准仪器，广泛用于生产过程各种介质的 温度测量，在医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛， 所以利用Pt100 热电阻设计的温度测量系统具有很实际有很重要的意义，对以后温度测量系统 的设计和发展起到一定的推动作用。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基 于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计 了这一温度测量系统。文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用 Pt100 热电阻作为温度传感器来测量实时的温度。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 3 第第二二章章 设设计计方方案案及及原原理理 2.1 传感器的选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接 与待测物体接触，而后者是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。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触 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。近年来各半导体厂商 陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS 公司DS18B20，MAXIM 公司的 MAX6576、MAX6577，ADI 公司的AD7416 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单， 如DS18B20 该温度传感器为单总线技术， MAXIM 公司的2 种温度传感器一个为频率输出，一个为 周期输出，其本质均为数字输出，而ADI 公司的AD7416 的数字接口则为近年也比较流行的I2C 总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大 缺点是测温的范围太窄，一般只有 -55+125，而且温度的测量精度都不高，好的才 0.5,一 般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。 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。 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方 法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测 近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相 对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体 的距离、环境温度等多种其它因素的影响。 由于本设计的任务是要求测量的范围为0100，测量的分辨率为0.1，综合价格以 及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100 作为本课题的温度传感器，该传感器的测温范 围从200850。 2.2 OP07 的选择 Op07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。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 基于Pt100 测温系统的设计 入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于 OP07A为300V/mV）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。 宽的输入电压范围（最少 13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合， 在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。 失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。不加外调零措施的 OP07的精度和稳定性， 即使在高增益下也能使 OP07成为一种新的仪器用和军用的工业标准。 OP07A和OP07适用于在-55到+125的整个军用范围内。 2.3 方案论证 温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智 能型传感器。 方案一：采用模拟分立元件 如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜， 但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案二：采用温度传感器 通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到 A/D 转换芯片，将模拟量转化为 数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LED 显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便， 测量范围为-200850，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设 计最终选择铂电阻Pt100 作为传感器。该方案采用热电阻Pt100 做为温度传感器、OP07 作为信号 放大器，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可 操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。 2.4 基本工作原理 Pt100 铂热电阻的阻值随着温度的变化而变化，利用这一特点来采集温度信号，利用恒流源 测电压方法将采集到的信号转换成电压信号；再经过 AD 转换成数字信号并由单片机系统读取 ；单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后再由 LE D 数码管显示输出温度值。 2.5 整体方案设计 2.5.1 系统工作流图 本设计设计的温度监测系统是把热电阻信号通过传感器检测转变为电压信号，经过信号采 集电路转换成A/D 输入的标准信号。之后A/D 将模拟电压信号变转换成数字信号，然后送入单 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 5 片机（MCU）进行处理和运算，单片机将处理的数据通过LED 数码管显示。整体方案设计流图如 图2-1 所示。 图2-1 整体方案设计图 2.5.2 热电阻的工作原理 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。 因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。 热电阻是中低温区最常用的一种 温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。作为热电阻的金属材料一般要求：尽可 能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度 范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最 好呈线性关系）。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化 性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻 值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过 150 易被氧化。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 Rt=Rt01+（t-t0）式中， Rt 为温度t 时的阻值；Rt0 为温度t0（通常t0=0）时对应电阻值； 为温度系数。中国最常用 的铂热电阻有R0=10、R0=100 和R0=1000 等几种，它们的分度号分别为 Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50 和R0=100 两种，它们的分度号为Cu50 和Cu100。其 中Pt100、 Cu100 和Cu50 的应用最为广泛。 2.5.3 热电阻的信号连接方式 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到 计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定 的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式： 1、二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方 法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这 种引线方式只适用于测量精度较低的场合。 传 感 器 处 理 电 路 A/D 转 换 单 片 机 显 示 模 块 供电电 源 基于Pt100 测温系统的设计 2、三线制：在热电阻的根部的一端连接一 根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线 制， 这种方式通常与电桥配套使用，可以较好 的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常 用的 引线电阻。 3、四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻 提供恒定电流I，把R 转换成电压信号U，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。可见这种引 线 方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热 电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控 室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用 三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂 上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 7 第第三三章章 总总体体设设计计 本设计的电路主要由电源模块（第五章介绍）、温度采集及信号调理模块、 A/D 模数转换模 块、单片机最小系统。具体电路和工作原理下面一一介绍。 3.1 温度采集及信号处理模块 3.1.1 采集模块 热电阻的阻值随温度的变化而变化，所以我们可以把热电阻的阻值变化转换成相应的电压 信号，然后经过后续的放大电路将采集到的电压放大到一定倍数，被 A/D 采集并输入到单片机内 部。由于在实验室中恒流发生电路比较简单常用，而且电压信号采集简单、测量方便，所以本 设计采用恒流源测电压方法实现热电阻和电压信号的对应关系。恒流源电路可以产生 1mA 恒定电 流，把热电阻Rt 的阻值转换为电压信号Uo（Uo=Rt*1mA），如图3-1 所示。 电压放大电路主要是把电压信号放大一定的倍数，能被 A/D 比较精确地采集到。 4.7k LM336 2 3 6 47 1 8 5 2.4K 10K 9012 10R200K 10R100K 2 3 6 47 1 8 5 +5V -5V 10R 100K 200K 10K 1K -5V 200R A/D100uF 100uF 100uF 100uF +5V 图3-1 温度采集及信号处理电路 第一部分 恒流源发生电路如图3-1（a）所示： 基于Pt100 测温系统的设计 4.7k R15 LM336 2 3 6 47 1 8 5 2.4K R12 10K R14 9012 -5V 100uF 100uF +5V 图3-1（a）恒流源发生电路 1）LM336-2.5 稳压管：稳压作用，将放大器3 脚电压钳制到2.5V 左右； 2）R12（2.4K）电阻：根据“虚断”原理，U3 = U2，I = 2.5V/2.4K = 1mA； 3）9012 复合三极管：又叫达林顿管，将 系数放大，即 = 2 ，使达林顿 管集电极和发射极电流相等，即Ic = Ib = I，从而大大减小Ib 的值； 4）R14（10K）电阻 ：保护前端放大器作用，防止Ib过大，进入运放6 脚； 第二部分 三线制处理及输出放大如图3-2（b）所示： 10R R17 200K R16 10R R20 100K R21 2 3 6 47 1 8 5 +5V -5V 10R R23 100K R13 200K R22 10K R19 1K R24 200R A/D 100uF 100uF 图3-1（b）三线制处理及输出放大电路 1）200 电位器代替Pt100，实验时将电位器调整至100 阻值； 2）R17、R20、R23 ：理论上代替三根传输导线，令R17后面的电压为U1，R20后 面的电压为U2，R17=R20=R23=R；所以 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 9 U1 = I*（R17+Rt+R23）=I*Rt+2*R （3.1.1） U2 = U3 = I*R （3.1.2） 根据方程（3.1.1）- 2*（3.1.2） U1-2*U2 = I*Rt （3.1.3） 从而推出放大器输入端信号与导线电阻无关（三线制最终目的） 3）后端运放：根据“虚短”原理可以得出 U+ = U- = U1*R13/（R16+R13）=U1/3 （3.1.4） （Uo/（R19+R24）-U-）/R22=（U-U2）/R21 （3.1.5） 经（3.1.4）（3.1.5）带入数据整理得： Uo = 11（U1-2*U2 ） （3.1.6） 从而实现信号电压放大十倍的作用 3.2 数码管显示电路 本设计显示电路是由8 段共阳极数码管（4 个），三极管（4 个9012），电阻（4 个1K，8 个200），电源（+5V）几部分构成。具体电路如图3-2 所示： a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 VCC 200R 200R 200R 200R 200R 200R 200R 200R a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 1K VCC a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 1K VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.3P2.4P2.5 a b c d e f g h b c d e f g h aa b c d e f g h 1K a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 1K b c d e f g h a P2.6 VCC 图3-2 数码管显示电路 电路分析： 1）1K 电阻：分别接到单片机P2.3、P2.4、P2.5、P2.6 口上，并对PNP 三极管起到限流保护作用； 基于Pt100 测温系统的设计 2）三极管：4 个三极管均为PNP 型号，基极接I/O 口，发射极接电源，数码管COM 口接在三极 管集电极上， 当I/O 给一个低电平，三极管基极电压为低，发射极电压为高，使三极管导通，为数码管 提供电压； 3）200 电阻：接到数码管的8 个段位上，起到限流保护作用； 4）数码管：当P0.x 信号为低时，P2.x 为低，对应数码管对应的段位呈现亮的状态，反之则不亮。 工作原理： 数码管采用动态扫描工作方式，动态显示是将所有数码管的 8 个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,h的同 名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，本设计分别接到P2.3、P2.4、P2.5、P2.6，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收 到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控 制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码 管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就 是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及 发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给 人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能 够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 11 第第四四章章 核核心心部部件件 本设计以C8051F410 单片机为CPU 设计的测温系统，主要涉及的部件有基准电源、系统时 钟、I/O 设备、A/D 转换。 下面简单的介绍一下C8051F410 单片机的各个核心部件 4.1 C8051F410 概述 C8051F41x器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型 MCU，具有片内上电复位、VDD监 视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F41x器件是真正能独立工作的片上系统 。FLASH存储 器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051固件。用户软件 对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU进行非侵入式 （不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断 点、单步、运行和停机命令。在使用 C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围（ -40到+85）内用2.0V 2.75V的电压工作（使用片内稳压 器时电源电压可达5.25V）。C8051F41x有28脚QFN（也称为MLP或MLF）和32脚LQFP两种封装 （如图4-1）。 图4-1 C8051F410顶视图 基于Pt100 测温系统的设计 4.2 I/O 设备 4.2.1 端口简介 数字和模拟资源可以通过 24个I/O引脚使用。端口引脚被组织为三个 8位端口。每个端口引脚 都可以被定义为通用 I/O（GPIO）或模拟输入/输出。P0.0 P2.7可以被分配给内部数字资源。设 计者完全控制数字功能的引脚分配，只受物理 I/O引脚数的限制。这种资源分配的灵活性是通过 使用优先权交叉开关译码器实现的。注意，不论交叉开关的设置如何，端口 I/O引脚的状态总是可 以被读到相应的端口锁存器。 4.3 A/D 4.3.1 12 位 ADC 简介 C8051F41x的ADC0子系统集成了一个27通道的模拟多路选择器（ AMUX0）和一个200ksps的 12位逐次逼近寄存器型 ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和硬件累加器。 ADC0子系统有一种特殊的突发方式（ Burst mode），该方式能自动使能 ADC0，采集和累加样本 值，然后将ADC0置于低功耗停机方式，而不需 CPU干预。AMUX0、数据转换方式及窗口检测器 都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。 ADC0输入为单端方式，可以被配置为用于测量 P0.0 P2.7、温度传感器输出、 VDD或GND（相对于GND）。只有当ADC控制寄存器（ADC0CN）中的 AD0EN位被置1或在突发方式执行转换时， ADC0子系统才被使能。当 AD0EN位为0时或在突发方 式下不进行转换时， ADC0子系统处于低功耗关断方式。 4.4 定时器 4.4.1 简介 C8051F41x 内部有4 个16 位计数器/定时器：其中两个与标准8051 中的计数器/定时器兼容， 另外两个是16 位自动重装载定时器，可用于其他外设或作为通用定时器使用。这些定时器可以 用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。定时器 0 和定时器1 几乎完全相 同，有四种工作方式。定时器2 和定时器3 均可作为一个16 位或两个8 位自动重装载定时器。 定时器2 和定时器3 还具有smaRTClock 捕捉方式，可用于测量smaRTClock 时钟（相对于另一振 荡器）。 本设计用到了定时器0，主要作用是用来动态扫描和调节温度滑动平均值的时间，保证在一 定的时间内滑动，使数据稳定。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 13 第第五五章章 系系统统电电源源 5.1 电源模块 电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源 , 它的特点是起电压调整功能的 器件始终工作在线性放大区，由50Hz 工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。 它的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波、再次滤波后成为一稳 定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过 采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则 将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与 基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小 。这种稳压电源具有优良的 纹波及动态响应特性 。 本设计采用固定集成输出集成稳压电路，它主要由变压器（双 6V，5W）、集成整流桥、集 成稳压器LM7805（+5V）和LM7905(-5V)、极性电容（100uF 和1000uF）构成。如图5-1 所示。 TRANSCT D1 1 3 2 VV GND IN OUT 7805 1 23 VV GND IN OUT 7905 +5V -5V 1000uF 1000uF 100uF 100uF 图5-1 稳压电源 1)二极管（4 个）：组成全波整流桥电路，正半周期时右上和左下两个二极管导通，负半周期左 上和右下两个二极管导通，使电压信号都位于t 轴上方； 基于Pt100 测温系统的设计 0200400600800100012001400 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0200400600800100012001400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 图5-2 电压输入波形 图5-3 整流之后波形（i 和u） 2)极性电容（4 个）：滤波作用，当电压信号逐渐增大时候向电容里充电，当电容里电荷达到一 定时，停止充电，当电压信号低于电容存储的电荷的电压时，电容开始放电，放到一定程度又 开始充电，周而复始，形成周期； U0 wt 图5-3 电容滤波电路 3)7805/7905:稳压块，7805 稳压输出+5V 电压，7905 稳压输出-5V 电压。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 15 第第 6 6 章章 软软件件部部分分 6.1 编程软件 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51 生成的目标 代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。下面详细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用。 我们用开发软件Keil uVision3 来编写、修改所需程序和下载程序到单片机运行。其下介绍 Keil uVision3 的使用步骤： 1.双击Keil uVision3，得到主画面： 2.新建界面 Project-new project： 基于Pt100 测温系统的设计 3.单片机的选择： 4.C 文件的创建和添加： 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 17 5.程序运行无错误： 6.2 编程语言 6.2.1 C 语言发展沿革 C 语言是国际上广泛流行且很有发展前途的计算机高级语言，不仅用来编写应用软件，也用 来编写系统软件。 在C 语言诞生以前，操作系统及其他系统软件主要是用汇编语言实现的。由于汇编语言程 序 设计依赖于计算机硬件，其可读性和可移植性都很差，而一般的高级语言又难以实现对计算机硬 件的直接操作，因此人们需要一种兼有汇编语言和高级语言特性的语言。 C 语言就是在这种环境 下产生的。 它最早是由Dennis Richie 于1973年设计并实现。它的产生同UNIX 系统之间具有非常密切的 联系C 语言是在UNIX 系统上开发的。而无论UNIX 系统本身还是其上运行的大部分程序， 都是用C 语言编写实现。同时，它同样适合于编写不同领域中的大多数程序。 C 语言已经成为全 球程序员的公共语言，并且由此产生了当前两个主流的语言 C+和Java它们都建立在C 语言 的语法和基本结构的基础上，而且现在世界上的许多软件都是在 C 语言及其衍生的各种语言的基 础上开发而成。 目前，在微机上广泛使用的C 语言编译系统有Turbo C、Borland C+、Microsoft Visual C+ 等。虽然它们的基本部分都是相同的，但还是有一些差异，本书采用 Turbo C 作为上机编程调试 环境。 6.2.2 C 语言特点 C 语言是一种由ALGOL 语言派生和发展起来通用流行的程序设计语言，许多大型软件均采 用C 语言编写，它同时具有汇编语言和高级语言的特性。具体地说，它具有如下特点： 基于Pt100 测温系统的设计 语言简洁，结构紧凑，使用方便、灵活。 C 语言一共只有32个关键字和9条控制语句，且源 程序书写格式自由。 运算符极其丰富，数据处理能力强。 C 语言一共有45种运算符，它把括号、赋值符号、强 制类型转换符号等都作为运算符处理，使得C 语言的运算符类型极为丰富，表达式类型多样化。 灵活使用可以实现其他高级语言难以实现的运算和操作。 数据结构丰富。C 语言的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构 体类型、共用体类型等，用它们可以实现各种复杂的数据结构（如链表、树等）。特别是指针类 型，使用起来灵活多变。 具有结构化的控制语句，是一种模块化的程序设计语言。如 ifelse 语句、while 语句、for 语句等，可以在程序中使用所有的控制语句。另外，函数是 C 语言的基本单位，用函数作为程序 模块的基本单位，以实现程序的模块化。 可移植性好。C 程序本身基本上可以不作任何修改，就能运行在各种不同型号的计算机和 各种操作系统环境上。 C 语言提供了某些接近汇编语言的功能，能直接访问物理地址，直接对硬件操作，从而 有 利于编写系统软件。 这些是C 语言的一般特点。正是由于这些特点，使得它的应用非常广泛 。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 19 6.3 程序流程图 开始关看门狗 初始化 数据采样 数据处理 LED显示 结束 I/O初始化 A/D初始 化 时钟初始 化 基准电压 定时器0 主要流程 初始化流程 显示流程 采样平均 滑动平均 V-R转换 插值计算 R-T转换 温度滑动 取中值 送显示 16次，放入数组， 数组长度16 6.4 关键程序 void zhuanhuan() Vinad = 2.2 * (Dat_pingjun / 4096);/ 电压转换 V_Pt = Vinad / 11.8; R = (int)(100000 * V_Pt); /转换电阻 T= T_pingjun; T_ZZZ_N =T; Z_N+; if(Z_N=16) Z_N=0; zhongzhi(); 基于Pt100 测温系统的设计 我个人认为该程序模块为整个测温系统程 序的灵魂，对电压，电阻，温度三者之间的转 换起 到衔接作用，Dat_pingjun 承接A/D 采集的数据，根据0V0，2.2V4096，所以A/D 输入电压就 是第一条语句的对应关系，为了使数据稳定，在这里对 A/D 采集的数据进行了滑动取平均值， 由 于Pt100 信号电压比较微弱，不利于采集，所以后级放大器将 V_Pt 差分放大约11 倍多，所以就 有了第二条语句的关系，根据电阻 -温度的分度表将电阻放大100 倍，便于插值运算，然后对插 值 计算所得结果再次进行滑动取平均值，使温度数据更加稳定，但是经过测试之后，到了这一步温 度显示还是不够稳定，所以我又采取对滑动之后温度平均值放在长度为 16 的数组之中，对这些数 据进行取中值，最后送显示，调试结果很稳定，误差能保持在允许范围之内。 6.5 硬件和软件调试 6.5.1 硬件出现的问题 1）电路焊接的时候，第四位数码管COM 口接的三极管的基极和 +5V 电压连电，导致第四个数码 管一直不亮。 2）电路焊接的时候，后级放大器6 脚和100 电阻相连，导致A/D 输出一直为高。 3）4 位数码管位选送高，数码管也亮。 6.5.2 软件调试出现的问题 数据采集求平均值，再经过转换送显示就可以大概显示温度，但是不够准确，所以本设计采 取对数据和温度各一次滑动取平均值，最后对温度平均值取 16 次进行取中值，可得基本稳定 数据， 误差在0.3左右。 6.5.3 软件调试结果 部分电阻-温度分度表,由于电阻存在误差，所以测出的温度相对误差不是很准确。 表6-1 数据统计表 分度表阻值 () 实测阻值()分度表温度()实测温度()相对误差 100.00 100.00000 110.12 110.012625.8-26.1-0.2-+0.1 120.16 120.105252.1-52.4+0.1-+0.4 130.13 130.187877.7-78.1-0.3-+0.1 140.02 139.96104103.6-103.8-0.4-0.2 149.82 149.79130129.7-129.9-0.3-0.1 159.93 159.88157156.8-157.1-0.2-+0.1 169.57 169.45183182.5-182.8-0.5-0.2 179.14 179.11209208.6-208.9-0.4-0.1 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 21 184.63184.6224223.7-0.3 第第 7 7 章章 结结束束语语 本设计运用Pt100 和C8051F410 单片机及OP07 运放设计的一个简单、实用、测量精度高的 测温显示系统，它可以把温度测量精度控制在 0.3之内，由于自身水平和时间有限，目前来 讲 先做到这个程度，如果以后用到了会更加深入研究。 在这次硬件课程设计过程中，我得到了艾老师和王老师悉心的指导，是我在短期内学会了 DXP 画图和硬件电路故障分析能力以及对我编程思想的指导，在这里对二位老师深表感谢！ 通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含 义，并且检验了这一年年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。 但 是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这三 星期的设计是对过去所学知识的系统 提 高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。 由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请各位老师批评指正。 基于Pt100 测温系统的设计 主主要要技技术术要要求求 1）PT100 能对温度进行检测； 2）单片机系统具有显示控制功能； 3）设计相应的软硬件电路实现上述功能； 4）用单片机C 语言进行