高精度测温系统的研制毕业设计.doc

摘摘 要要 温度的精密控制对现代企业生产的影响越来越深 而高精度的温度测量技 术是决定温度控制精度的前提 随着温度控制精度的进一步提高 普通的测温 传感器已经无法满足生产的需求 而且在现场的生产环境中存在大量的干扰 要求温度测量装置在满足高精度的前提下 还要求高稳定性和强抗干扰性 本 文在综合多种的测温技术方案的前提之下 决定采用 MC9S12XS128 单片机为 核心控制芯片 以非平衡桥来驱动三线制 Pt1000 铂电阻测温电路 并且对温度 测量系统中涉及的非平衡电桥 信号调理电路 控制算法等部分的机构和原理 进行了初步研究 系统通过单片机的片内 A D 模块 把测温电桥的输出信号采 集到单片机内部 再设定和调试相关参数 把温度数据通过 RS232 串口线上传 给上位机 再由上位机进行控制及相关参数的实时显示和记录 通过多次试验 该测温系统能够可靠的工作 关键词 关键词 温度测量 单片机 RS232 电阻测温器 毕业设计 论文 说明书 第 2 页 共 40 页 装 订 线 Abstract Precise temperature control has the increasing influence on the modern enterprise producing and high precision temperature measurement technique is to determine the accuracy of temperature control of the premise With the further improving of the precision of temperature control the ordinary temperature sensor has been unable to meet production needs and there is a lot of interference in the production environments The temperature measuring devices has to meet the requirements under the premise of high accuracy high stability and strong anti interference also should be considered After comparing the variety of temperature measurement we decided to adopt MC9S12XS128 microcontroller as the core control chip the three wire Pt1000 platinum resistance drived by unbalanced bridge as temperature measurement circuit We studied signal conditioning circuitry control algorithms and other parts of the body The system sampled output signal of the bridge of the temperature to the internal microcontroller through A D module then set the relevant parameters the temperature data via RS232 serial line to the host computer and then be controlled by the host computer to display and to record related parameters Through several experiments the temperature measurement system can work reliably Keywords Temperature detection Microcontroller 232 Bus RTD Resistance Temperature Detector 毕业设计 论文 说明书 第 3 页 共 40 页 装 订 线 摘摘 要要 1 ABSTRACT 2 第一章第一章 绪论绪论 6 1 1 研究背景 6 1 1 1 温度传感器的概念 6 1 1 2 温度测量的意义 6 1 1 3 常用温度传感器的分类 6 1 1 4 温度测量控制技术的国内外研究现状 7 1 2 基于 PT1000 的高精度温度采集系统 8 1 2 1 研究意义 8 1 2 2 待解决的问题 8 1 3 本文研究内容 8 第二章第二章 传感器 单片机及开发工具传感器 单片机及开发工具 10 2 1 热电阻 10 2 1 1 热电阻的组成结构 10 2 1 2 工作原理 10 2 1 3 热电阻接线 10 2 2 热电阻 PT1000 介绍 11 2 3 2 时钟模块 13 2 3 3 看门狗 13 2 3 4 中断模块 13 2 3 5 串口通讯 SCI 模块 14 2 3 6 模数 A D 转换模块 14 2 4 Codewarrior5 0 开发环境介绍 15 2 5 Protel DXP 2004 集成环境 16 2 6 基于 Visual Basic 6 0 的上位机系统 17 第三章第三章 温度测量系统的设计温度测量系统的设计 22 3 1 温度测量系统概述 19 3 2 温度采集系统的基本原理 19 3 3 上位机与测温探头通讯示意图 19 3 4 测温探头主要模块 20 3 4 1 测温探头的硬件模块 20 3 4 2 测温探头的软件模块 21 毕业设计 论文 说明书 第 4 页 共 40 页 装 订 线 第四章第四章 测温探头的硬件设计测温探头的硬件设计 22 4 1 电源管理模块 22 4 2 恒压源模块 22 4 3 非平衡电桥 23 4 4 温度信号处理模块 24 4 5 RS232 通讯模块 26 4 6 单片机最系统模块 27 第五章第五章 测温探头的软件设计测温探头的软件设计 28 5 1 程序流程图 28 5 2 温度采样 28 5 3 程序滤波 29 5 4 线性化补偿 29 5 5 RS232 传输 29 第六章第六章 实验数据及参数实验数据及参数 30 6 1 温度测量 30 6 1 1 温度与温标 30 6 1 2 温度测量的主要方法 30 6 2 PT1000 测温实验 31 6 2 1 电阻箱标定 31 6 2 2 温度采集及 RS232 通讯实验 32 6 3 热电阻 PT1000 测温电路调试体会 33 第七章第七章 总结与展望总结与展望 34 致谢致谢 35 参考文献参考文献 36 附录附录 1 1 37 附录附录 2 2 38 附录附录 3 3 39 附录附录 4 4 40 毕业设计 论文 说明书 第 5 页 共 40 页 装 订 线 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 1 1 1 温度温度传感器的传感器的概念概念 温度传感器是指能感受温度并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装 置 通常由敏感元件和转换元件组成 温度传感器将检测到的温度信息按一定 形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要前提 温度是一个基本的物理量 自然界 中的一切过程无不与温度密切相关 温度传感器是最早开发 应用最广的一类 传感器 温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器 从 17 世纪初人们开 始利用温度进行测量 在半导体技术的支持下 本世纪相继开发了半导体热电 偶传感器 PN 结温度传感器和集成温度传感器 与之相应 根据波与物质的相 互作用规律 相继开发了声学温度传感器 红外传感器和微波传感器 1 1 2 温度温度测量的测量的意义意义 温度是一种最基本的环境参数 人们的生活与环境的温度息息相关 在工 业生产过程中需要实时测量温度 在农业生产中也离不开温度的测量 因此温 度是一个十分重要的物理量 研究温度的测量方法和装置具有重要的意义 随 着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高 人们也迫切需要检测 与控制温度 如大气及空调房中温度的高低 直接影响着人们的身体健康 在大 规模集成电路生产线上 环境温度不适当 会严重影响产品的质量 恒温育苗室 内温度的控制对育苗的质量影响也很大 温度传感器作为在各种控制场合经常使用的传感器 它的性能好坏会直接 影响到系统性能 因此 要选择适当的传感器 不仅要掌握各种类型传感器的 结构 原理及性能指标 还必须懂得传感器的信号应该如何获取 处理 现在 越来越多的传感器被用于各个领域 且为了提高自身的功效 时效及生产力 各领域的专家们也在自主研发适用于该领域的传感器 于是种类繁多的新型传 感器及传感器系统不断涌现 1 1 3 常用温度传感器常用温度传感器的分类的分类 温度传感器是温度测量仪表的核心部分 品种繁多 按测量方式可分为接 触式和非接触式两大类 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触 又称温度计 温 度计通过传导或对流达到热平衡 从而使温度计的示值能直接表示被测对象的 温度 一般测量精度较高 在一定的测温范围内 温度计也可测量物体内部的 温度分布 但对于运动体 小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误 毕业设计 论文 说明书 第 6 页 共 40 页 装 订 线 差 常用的温度计有双金属温度计 玻璃液体温度计 压力式温度计 电阻温 度计 热敏电阻和温差电偶等 它们广泛应用于工业 农业 商业等部门 非接触式温度传感器 它的敏感元件与被测对象互不接触 又称非接触式 测温仪表 这种仪表可用来测量运动物体 小目标和热容量小或温度变化迅速 瞬变 对象的表面温度 也可用于测量温度场的温度分布 最常用的非接触 式测温仪表基于黑体辐射的基本定律 称为辐射测温仪表 辐射测温法包括亮 度法 见光学高温计 辐射法 见辐射高温计 和比色法 见比色温度计 各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度 辐射温度或比色温度 只有对黑 体 吸收全部辐射并不反射光的物体 所测温度才是真实温度 如欲测定物体 的真实温度 则必须进行材料表面发射率的修正 1 1 4 温度测量控制技术的国内外研究现状温度测量控制技术的国内外研究现状 温度测量是工业 农业 国防和科研等部门最普遍的测量项目 它在工农 业生产 现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量 参数 在温度测量方面各国均取得了很多成果 其中前苏联的压电石英频率温度 计分辨能力可达 0 0001 理论上可达 0 00001 而且在 40 230 范围内具 有温度与频率的线性特性 日本利用所谓石英温度频率转换器 80 200 的温 度范围 最大分辨率达 0 0001 美国标准局研制的电阻温度计 25 欧标准铂电 阻温度计 电桥分辨 0 00002 我国生产的石英温度传感器分辨率达到 0 0001 误差在 0 05 以内 中国航天工业总公司 702 所研制的 5901 STP 1000 型粘贴式测温片 其静态测温精度为 0 5 快速响应时间小于 0 013s 传统的热电偶 热电阻测温方法以其技术成熟 结构简单 使用方便等特 点 在未来温度测量领域中 依然能够广泛使用 随着新材料 新工艺以及一些 新技术的发展 其应用范围更加拓展 1 薄膜温度传感器 在传感器结构改进方面 出现了薄膜温度传感器 它是随着薄膜技术的成熟 而发展起来的新型微传感器 其敏感元件为微米级的薄膜 具有体积小 热扰动 小 热动态响应时间短 灵敏度高 便于集成和安装的特点 并且具有耐磨 耐 压 耐热冲击和抗剥离的优良性能 特别适合于微尺度或小空间温度测量 表面 温度的测量等场合 近年来发展的陶瓷薄膜热电偶 可以测量更高的温度 克服 了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点 在高温表面温度测量领域 应用更为广泛 2 辐射测温技术 随着光电和红外探测器的发展 出现了多种多样的红外测温仪 红外测温技 术得到了更多的应用 具体表现在 1 测温范围从高温 中温向中 低温部分 拓展 2 准确度和稳定性更高 3 工作波段多样化 可根据被测对象的特性选 毕业设计 论文 说明书 第 7 页 共 40 页 装 订 线 择 4 从点测量发展到二维面测量 5 红外测温仪具有小型化和智能化的特点 3 光纤测温技术 黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡 通过光纤将 黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件 从而实现温度测量 如蓝宝石黑体空腔 式光纤高温计 具有测温高 响应快 寿命长的特点 可以部分取代贵金属热电 偶 还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器 也是基于以上原理 由普 通石英光纤实现测温 因其价格低 准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电 偶 1 21 2 基于基于 Pt1000Pt1000 的高精度温度采集系统的高精度温度采集系统 1 2 1 研究意义研究意义 在工业和医学等诸多领域 高精度的温度测量都有着很广泛的应用 例如 在炼铁生产中 操作人员经常要检测和观察高炉冷却水包的进 出水温差 该 温差可反映高炉的完好和运行情况以首钢集团迁安钢铁厂高炉为例 炉喉冷却 水的进 出水温差应该在 0 3 0 7 如果进 出水温差超出这个范围 工作人 员就要采取相应措施 如超过 0 9 就意味着出现事故 人员可能就要撤离 因 此水温差测量是炼铁过程中的一项重要工作 水温差测量的精度要求也很高 6 在煤矿和火电厂广泛应用的煤质分析仪中 需要对一定质量的煤燃烧后所导致 的一定质量的水的温度变化进行精确测量 并根据水温变化幅度对煤的质量进 行评估 在医学上用于生命科学研究和基因诊断的 PCR 聚合酶链式反应 热循环仪 中 也同样需要对水或油的温度变化进行精确的测量 高精度的温度测量能够 提高生产的安全性和产品质量 1 2 2 待解决的问题待解决的问题 精密化学 生物医药 精细化工 精密仪器等领域对温度控制精度的要求 极高 而温度控制的核心正是温度测量 采用铂电阻测量温度是一种有效的高 精度温度测量方法 但具有以下难点 引线电阻 自热效应 外部噪声的干扰 元器件漂移和铂电阻传感器精度 其中 减小引线电阻的影响是高精度测量的 关键点 对于自热效应 根据元件发热公式 P I2R 必须使流过元件的电流足 够小才能使其发热量小 传感器才能检测出正确的温度 但是过小的电流又会 使信噪比下降 精度更是难以保证 此外 一些元器件和仪器很难满足元器件 漂移和铂电阻传感器精度的要求 毕业设计 论文 说明书 第 8 页 共 40 页 装 订 线 1 1 3 3 本文研究内容本文研究内容 本设计以飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机为温度采集系统的控制器 首先 介绍了热电阻的基本原理 然后依次介绍单片机各个模块的功能 之后又分别 简单介绍了 CodeWarrior 5 0 Protel DXP 及 Visual Basic 6 0 等软件 最后介绍 了温度测量系统的总体设计及其相关模块 另外还设计了整个系统的程序算法 毕业设计 论文 说明书 第 9 页 共 40 页 装 订 线 第二章第二章 传感器 单片机及开发工具传感器 单片机及开发工具 2 12 1 热电阻热电阻 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 其中铂热电阻的测量精确度是最高的 它不仅广泛应用于工业测温 而且被制成标准的基准仪 2 1 1 热电阻的组成结构热电阻的组成结构 金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构 麻花骨架结构得杆式结 构等 金属热电阻常用的感温材料种类较多 最常用的是铂丝 工业测量用金 属热电阻材料除铂丝外 还有铜 镍 铁 铁 镍 钨 银等 薄膜热电阻是 利用电子阴极溅射的方法制造 可实现工业化大批量生产 其中骨架用陶瓷 引线采用铂钯合金 2 1 2 工作原理工作原理 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的 特性 热电阻大都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 现在已开始 采用镍 锰和铑等材料制造热电阻 热电阻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 2 1 3 热电阻接线热电阻接线 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 二线制 三线制 四线制 如 下图所示 BA Rt 图 2 1 a 两线制 CBA Rt 图 2 1 b 三线制 DBA Rt C 图 2 1 c 四线制 毕业设计 论文 说明书 第 10 页 共 40 页 装 订 线 两线制 两线制 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 如图 2 1 a 所示 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 三线制 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 如图 2 1 b 所示 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 三线制要求引出的三根 导线截面积和长度均相同 测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥 铂电阻作为 电桥的一个桥臂电阻 将导线一根接到电桥的电源端 其余两根分别接到铂电 阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上 当桥路平衡时 通过计算可知 2 1 131 t 22 R RR r R r RR 其中 r 为导线等效电阻 当 R1 R2 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 但分析可见 采用三线制会大大减小导 线电阻带来的附加误差 工业上一般都采用三线制接法 四线制四线制 在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制 如图 2 1 c 所示 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 四线制是当测量电阻数值很小时 测试线的 电阻可能引入明显误差 四线测量用两条附加测试线提供恒定电流 另两条测 试线测量未知电阻的电压降 在电压表输入阻抗足够高的条件下 电流几乎不 流过电压表 这样就可以精确测量未知电阻上的压降 通过计算得出电阻值 2 22 2 热电阻热电阻 Pt1000Pt1000 介绍介绍 毕业设计 论文 说明书 第 11 页 共 40 页 装 订 线 050100 1000 00 1385 06 1193 97 R R T T 图 2 1 Pt1000 温度特性曲线 铂电阻传感器是利用金属铂 Pt 的电阻值随温度变化而变化的物理特性 而制成的温度传感器 铂具有电阻温度系数大 感应灵敏 电阻率高 元件尺 寸小 电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系 在测温范围内 物理 化学 性能稳定 长期复现性好 测量精度高 是目前公认制造热电阻的最好材料 但铂在高温下 易受还原性介质的污染 使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的 线性关系 因此使用时应装在保护套管中 以铂电阻作为温度原件进行测温的 关键是要能够准确的测量出铂电阻传感器的电阻值 通常使用的铂电阻温度传 感器有 Pt100 Pt1000 按 IEC751 国际标准 温度系数 TCR 0 003851 Pt100 R0 100 Pt1000 R0 1000 为统一设计型铂电阻 其温度电阻特性是 当 200 t 0 2 2 23 t0 R R 1 At Bt C t 100 t 当0 t 850 2 3 CtBtAt 1RR 32 0t Rt为在 t 时的电阻值 R0为在0 时的电阻值 TCR 0 003851时的系数值 为 A 3 9083 10 B 5 775 10 C 4 183 10 从图 3 1 7 2 12 4 2 2可看出 Pt1000铂电阻传感器的线性度不错 2 3MC9S12XS128单片机单片机 Freescale 公司的16位单片机主要分为HC12 HCS12 HCS12X三个系列 HC12核心是16位高速CPU12核 总线速度8MHZ HCS12系列单片机以速度更快的 CPU12内核为核心 简称S12系列 典型的S12总线速度可以达到25MHZ HCS12X 毕业设计 论文 说明书 第 12 页 共 40 页 装 订 线 系列单片机是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增强型产品 基于S12 CPU内核 可以达到25MHz的HCS12的2 5倍性能 总线频率最高可达40 MHz S12X系列单片机目前又有几个子系列 MC9S12XA系列 MC9S12XB系列 MC9S12XD系列 MC9S12XE系列 MC9S12XF系列 MC9S12XH系列和MC9S12XS系列 MC9S12XS128就是S12X系列中的一个成员 2 3 1 HCS08 微控制器简介微控制器简介 MC9S12XS128是16位单片机 由16位中央处理单元 CPU12X 128KB程序 Flash P lash 8KB RAM 8KB数据Flash D lash 组成片内存储器 主要功能 模块包括 内部存储器 内部PLL锁相环模块 2个异步串口通讯 SCI 1个串行外设接口 SPI MSCAN 模块 1个8通道输入 输出比较定时器模块 TIM 周期中断定时器模块 PIT 16通道A D转换模块 ADC 1个8通道脉冲宽度调制模块 PWM 输入 输出数字 I O 口 2 3 2 时钟模块时钟模块 MC9S12XS128 单片机中有两个不同的时钟 即外部晶振时钟 总线时钟 由于 MCU 的支撑电路一般需要外部时钟源向 MCU 提供时钟信号 由于过高频 率的外部时钟容易受到干扰 则一般外部时钟选择一般不能使用太高的频率 若要提高系统的运行速率 则可以通过内部的锁相环 PLL 技术来提高系统的总 线时钟频率 本系统采用的是 16 00MHz 的外部晶振 因此外部晶振时钟为 16 00MHz 通过相关设置 总线时钟 64 00MHz 外部晶振时钟的倍 分频关 系由 PLL 的先关寄存器决定 总线时钟用作片上外围设备的同步 它决定了指 令执行的速度 具体设置过程可以参考 MC9S12XS128 数据手册 2 3 3 看门狗看门狗 看门狗 又叫 watchdog timer 是一个定时器电路 一般有一个输入 叫喂狗 一 个输出到 MCU 的 RST 端 MCU 正常工作的时候 每隔一端时间输出一个信号到 喂狗端 给 WDT 清零 如果超过规定的时间不喂狗 一般在程序跑飞时 WDT 定 时超过 就回给出一个复位信号到 RST 使 MCU 复位 防止 MCU 死机使程序运行 毕业设计 论文 说明书 第 13 页 共 40 页 装 订 线 的更加稳定 可以在程序溢出的情况下重启 不会因为外界的干扰 静电 电 磁干扰等 而死机 2 3 4 中断模块中断模块 中断系统是 MCU 实时地处理内部或外部事件的一种内部机制 当某种内 部或外部的事件发生时 中断系统将迫使 CPU 暂停当前执行的程序转而去进行 中断事件的处理 等到中断事件处理完毕后 又返回断点处继续执行 MCU 在 进行实时控制 故障自动处理 计算机与外围设备间的数据传送时往往采用中 断系统 中断系统的应用大大提高了计算机效率 不同的计算机其硬件结构和 软件指令是不完全相同的 因此 中断系统也是不相同的 计算机的中断系统 能够加强 CPU 对多任务事件的处理能力 中断机制是现代计算机系统中的基础 设施之一 它在系统中起着通信网络作用 以协调系统对各种外部事件的响应 和处理 MC9S12XS128 基本上每个模块都带了中断 本系统用到 SCI 中断 串口中断 2 3 5 串口通讯串口通讯 SCI 模块模块 从基本原理的角度看 串行通信接口 SCI 的主要功能是 接收时 把外部 的单线输入的数据变成一个字节的并行数据送入 MCU 内部 发送时 把需要 发送的一个字节的并行数据转换为单线输出 为了设置串口通讯的波特率 SCI 应具有波特率寄存器 为了能够设置通信格式 是否校验 是否允许中断等 SCI 应具有相应的控制寄存器 而要知道串口是否有数据可收 数据是否发送 出去等 需要有 SCI 状态寄存器 当然 若一个寄存器不够用 控制与状态寄 存器可能有多个 而 SCI 数据寄存器存放要发送的数据 也存放接受的数据 这并不冲突 因为发送与接收的实际工作是通过 发送移位寄存器 和 接收以为 寄存器 完成的 编程时 程序员并不直接与 发送移位寄存器 和 接收移位寄 存器 打交道 只与数据寄存器打交道 所以 MCU 中并没有设置 发送移位寄 存器 和 接收移位寄存器 的映像地址 发送时 程序员通过判定状态寄存器 的相应位 了解是否可以发送一个新的数据 若可以发送 则将待发送的数据 放入 SCI 数据寄存器 中就可以了 剩下的工作由 MCU 自动完成 将数据从 SCI 数据寄存器 送到 发送移位寄存器 硬件驱动将 发送移位寄存器 的数据 一位一位地按照规定的波特率移到发送引脚 TxD 供对方接收 接收时 数据 一位一位地从接收引脚 RxD 进入 接收移位寄存器 当收到一个完成字节时 MCU 会自动将数据送入 SCI 数据寄存器 并将状态寄存器的相应位改变 供 程序员判定并取出数据 MC9S12XS128 含有两个 SCI 串口通讯模块 本系统利用 SCI 串口通讯发送 模块将温度信息发送给上位机 通过 SCI 串口通讯接收模块响应上位机的各种操 毕业设计 论文 说明书 第 14 页 共 40 页 装 订 线 作 2 3 6 模数 模数 A D 转换模块 转换模块 A D 转换模块 Analog To Digital Convert Module 即模数转换模块 其功 能是将外部的电信号转换相应的数字信号 在实际使用中 这个信号可能使温 度 湿度 压力等的物理量经过传感器和相应的信号调理电路转化而来的 经 过 A D 转换之后送给 MCU 就可以进行相应的处理了 A D 转换器中有积分型 和逐次逼进型的转换器 其中积分型的 A D 转换器的精度高 但是转换速率低 而逐次逼近型 A D 转换器转换速率高 常用于 MPU 中 对于 A D 转换器而言 其转换精度是一个重要的指标 它是指数字量变化一个最小量时模拟量对应的 变化量 也就是我们常说的采样位数 常用的采样位数有 8 位 10 位以及 12 位 设采样位数为 N 模拟电压量为 V 则最小的采样精度为 而采样V N 21 速率是指完成一次 A D 采样所花费的时间 一般 MCU 中完成一次采样要花费 15 20 个指令周期 在对采样的数据进行处理时 为了使采样的数据更加准确 必须对数据进行滤波处理 其中最常用的滤波算法有中值滤波和均值滤波 此 外 在使用一些特殊的传感器来实现特殊功能时 还要采用其他的滤波算法 对于本设计中使用的 MC9S12XS128 单片机而言 它包含 16 路 8 位 10 位和 12 位可选的 A D 转换模块通道 还有 4 个用来与外部信号同步进行 A D 转换的外部触发转换通道 ETRIG3 ETRIG0 触发方式 电平触发和边沿触发 可以自行设定 具体使用可以参见 MC9S12XS128 的数据手册 2 42 4 Codewarrior5 0Codewarrior5 0 开发环境介绍开发环境介绍 CodeWarrior Development Studio 开发工作室 简称 CW 环境是 Freescale 公司开发的面向 Freescale MCU 与 DSP 嵌入式应用的商业软件工具 其功能强 大 是 Freescale 向用户推荐的产品 CodeWarrior 分为 3 个版本 特别版 标 准版和专业版 其中特别版是免费的 在 CW 环境下可以编制并调试 XS128 MCU 的汇编语言 C 语言和 C 语言程序 CodeWarrior 包括编译器 源码浏 览器 搜索引擎 构造系统 调试器 工程管理等功能模块 其中编辑器 编 译器 连接器和调试器对应开发过程的四个主要阶段 其他模块可以用来支持 代码浏览和构造控制 工程管理器控制整个过程 该集成环境是一个多线程应 用 能在内存中保存状态信息 符号变和对象代码 从而提高操作速度 能够 跟踪代码变化 进行自动编译和连接 图 2 3 为 CodeWarrior5 0 的使用界面 毕业设计 论文 说明书 第 15 页 共 40 页 装 订 线 图 2 3 CodeWarrior5 0 使用界面 2 52 5 ProtelProtel DXPDXP 20042004 集成环境集成环境 Altium 公司作为 EDA 领域里的一个领先公司 Prate DXP 2004 是 Altium 公司于 2004 年推出的最新版本的电路设计软件 该软件能实现从概念设计 顶 层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理 之前 比较流行的 Protel 98 Protel 99 SE 就是它的前期版本 Protel DXP 2004 已不是单纯的 PCB 印制电路板 设计工具 而是由多个模块组成的系统工具 分别是 SCH 原理图 设计 SCH 原理图 仿真 PCB 印制电路板 设计 Auto Router 自动布线器 和 FPGA 设计等 覆盖了以 PCB 为核心的整个物理 设计 该软件将项目管理方式 原理图和 PCB 图的双向同步技术 多通道设计 拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起 为电路设计提供了强大的支持 与较早的版本 Protel99 相比 Protel DXP 2004 不仅在外观上显得更加豪 华 人性化 而且极大地强化了电路设计的同步化 同时整合了 VHDL 和 FPGA 设计系统 其功能大大加强了 图 2 4 是 Protel DXP 2004 的部分操作界面 毕业设计 论文 说明书 第 16 页 共 40 页 装 订 线 图 2 4 Protel DXP 2004 操作界面 Protel DXP 2004 的有如下特点 1 通过设计档包的方式 将原理图编辑 电路仿真 PCB 设计及打印这 些功能有机地结合在一起 提供了一个集成开发环境 2 提供了混合电路仿真功能 为设计实验原理图电路中某些功能模块的 正确与否提供了方便 3 提供了丰富的原理图组件库和 PCB 封装库 并且为设计新的器件提供 了封装向导程序 简化了封装设计过程 4 提供了层次原理图设计方法 支持 自上向下 的设计思想 使大型 电路设计的工作组开发方式成为可能 5 提供了强大的查错功能 原理图中的 ERC 电气法则检查 工具和 PCB 的 DRC 设计规则检查 工具能帮助设计者更快地查出和改正错误 6 全面兼容 Protel 系列以前版本的设计文件 并提供了 OrCAD 格式文 件的转换功能 7 提供了全新的 FPGA 设计的功能 这好似以前的版本所没有提供的功 能 2 62 6 基于基于 VisualVisual BasicBasic 6 06 0 的的上位机系统上位机系统 Visual Basic 是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程 语言 从任何标准来说 VB 都是世界上使用人数最多的语言 它源自于 BASIC 编程语言 VB 拥有图形用户界面 GUI 和快速应用程序开发 RAD 系统 可 毕业设计 论文 说明书 第 17 页 共 40 页 装 订 线 以轻易的使用 DAO RDO ADO 连接数据库 或者轻松的创建 ActiveX 控件 程 序员可以轻松的使用 VB 提供的组件快速建立一个应用程序 图 2 5 a Visual Basic 6 0 操作界面 图 2 5 b 温度测量监控界面 为了满足系统设计的需求 此上位机具备了多项功能 首先 其操作界面 上有各种窗口界面 包括操作提示窗口和数据显示窗口 温度显示窗口以一秒 钟刷新一次数据的速度实时更新温度值 在上位机界面的右侧有一系列按钮 分别是 开启 创建表格 记录数据 停止记录 波形显示 停止 显示 关闭 和 退出 中间位置主要是显示窗口 左边则是显示温度的波 形的 打开上位机之后 首先点击 开启 按钮 此时操作提示窗口会显示 毕业设计 论文 说明书 第 18 页 共 40 页 装 订 线 您好 欢迎使用温度检测系统 系统正在连接中 请稍后 当系统正常连 接之后 会提醒 系统连接正常 然后 点击 创建表格 系统会自动创 建 Execl 表格 再点击 记录数据 则系统开始记录温度数据 当点击 波形 显示 之后 上位机界面的左边会实时显示温度的变化波形 当点击 停止显 示 后 温度波形将不再显示 当点击 关闭 后 系统将中断与下位机 单 片机 的通信 并且 操作提示窗口还会显示 系统已关闭 谢谢使用 最 后 点击 退出 按钮后 上位机将会退出使用 毕业设计 论文 说明书 第 19 页 共 40 页 装 订 线 第三章第三章 温度测量系统的设计温度测量系统的设计 3 13 1 温度测量系统概述温度测量系统概述 温度测量系统由上位机软件系统 测温探头组成 上位机软件系统 测温 探头之间的通过 RS232 总线进行通讯 图 3 1 为系统的设计框图 图 3 1 为系统的设计框图 3 23 2 温度采集系统的基本原理温度采集系统的基本原理 温度测量系统由上位机软件系统 测温探头组成 测温探头通过 Pt1000 铂 电阻采集现场温度信号 并且通过串口线实现单片机与上位机的数据传送 把 探头检测到的温度变化信号在上位机上实时显示和记录下来 上位机软件系统 主要负责显示温度 并绘制当前温度曲线 通过建立 excel 表格保存历史温度值 3 33 3 上位机与测温探头通讯示意图上位机与测温探头通讯示意图 图 3 2 上位机与测温探头通讯示意图 RS 232 是现在主流的串行通信接口之一 由于出现的较早 还是存在一 些不足 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这种 毕业设计 论文 说明书 第 20 页 共 40 页 装 订 线 共地传输容易产生共模干扰 所以抗噪声干扰性弱 而且传输距离有限 最大 传输距离标准值为 50 英尺 实际上也只能用在 15 米左右 3 43 4 测温探头主要模块测温探头主要模块 3 4 1 测温探头的硬件模块测温探头的硬件模块 测温探头硬件部分由热电阻外壳 电源模块 恒压源模块 温度信号放大 处理模块 AD 采样电路 RS232 通讯模块 单片机 MC9S12XS128 最小系统 1 单片机 MC9S12XS128 最小系统 其中 MC9S12XS128 单片机是系统的 核心部分 它负责接收温度信息 并对这些信息进行处理 2 电源模块 为各个电路模块提供电源 本系统采用的电源芯片为 TL431 LM2940 LM7812 3 恒压源电路 使加在测温电桥上的电压恒定 这样温度信号处理电路的 输出电压与 Pt1000 的阻值成线性关系 4 温度信号处理电路 使温度在 0 摄氏度的时候 进入 AD 转化器的模拟 输入电压为 0 从而实现初步调零 5 AD 采样电路 MC9S12XS128 单片机自带 8 位 10 位和 12 位 AD 模块 由于本系统对测温精度要求较高 所以本系统可以使用 MC9S12XS128 片内自 带的 12 位 AD 模块 6 RS232 通讯电路 本系统通过 RS232 串口线实现上位机与底层单片机之 间的数据交换 通过底层单片机对温度信号的处理之后 送到上位机进行显示 和记录 此外 还包括各种保护电路 增加系统运行的稳定性 测温探头实验板实 物图如图 3 3 所示 图 3 3 a 测温探头铂电阻图 3 3 b 电路实物图 毕业设计 论文 说明书 第 21 页 共 40 页 装 订 线 3 4 2 测温探头的软件模块测温探头的软件模块 完成了系统的硬件电路的设计之后 接下来就是进行系统的软件部分的设 计 系统主要依赖底层的单片机完成温度的测量 其中需要使用到的单片机资 源包括 时钟模块 看门狗 中断模块 SCI 模块 各个模块之间的关系见测 温探头见总体设计款图的软件部分 毕业设计 论文 说明书 第 22 页 共 40 页 装 订 线 第四章第四章 测温探头的硬件设计测温探头的硬件设计 4 14 1 电源管理模块电源管理模块 全部硬件电路的电源由外部的多路辅助电源提供 由于电路中的不同电路 模块所需要的工作电压和电流容量各不相同 因此 电源模块包括多个稳压电 路 将 AC220V 交流电压进过变压器降压整流得到各个模块所需要的初级直流 电压 然后使用线性稳压芯片对其进行平波稳压 再输出给相应的模块 本系 统采用的电源管理芯片为 LM2940 5V 是一款线性稳压电源芯片 LM2940 最大 输出电流为 1A 输出纹波小 非常适合给单片机 采样用 LM7812 芯片给 OP07 运放供电 还使用德州仪器公司 TI 生产的 TL431 来给电桥提供一个恒 压源 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源 具体电源系 统管理示意图如图 4 1 所示 图 4 1 电源系统管理示意图 4 24 2 恒压源模块恒压源模块 恒压源驱动电路负责驱动不平衡电桥 将 Pt1000 感知的随温度变化的电阻 信号转换成可测量的电压信号 本系统中 所需恒压源要具有输出电压恒定 温度稳定性好 输出电流小于 1 mA Pt1000 无自热效应的上限 德州仪器公司 TI 生产的 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源 其输 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 毕业设计 论文 说明书 第 23 页 共 40 页 装 订 线 该器件的典型动态阻抗为 0 2 在很多应用中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 图 4 2 TL431 代表性电路 图 4 3 恒压源电路 图 4 3 中 TL431 与电阻 R20串联 并通过电阻 R21 R22分压 将输出的电 压值反馈到 TL431 的参考端引脚 则输出电压就满足 4 1 22 21 R R 1 REFref VV 4 34 3 非平衡电桥非平衡电桥 非平衡电桥的原理图见图 4 4 图 4 4 非平衡电桥原理图 非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似 但测量方法上有很大差别 平 衡电桥是调节 R3使 I0 0 从而得到 非平衡电桥则是使 R1 R2 R3保持不变 RX变化时则U0变化 再根据U0与RX的函数关系 通过检 测U0的变化从而测得RX 由于可以检测连续变化的U0 所以可以检测连续变化的 3 21 RRRRX 毕业设计 论文 说明书 第 24 页 共 40 页 装 订 线 RX 进而检测连续变化的非电量 非平衡电桥的桥路形式有 1 等臂电桥 电桥的四个桥臂阻值相等 即 R1 R2 R3 RX0 其中 RX0是 RX的初始值 这时电桥处于平衡状态 U0 0 2 卧式电桥也称输出对称电桥 这时电桥的桥臂电阻对称于输出端 即 R1 RX0 R2 R3 但 R1 R2 3 立式电桥也称电源对称电桥 这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称相等即 R1 R2 RX0 R3 但 R1 R3 4 比例电桥 这时桥臂电阻成一定的比例关系 即 R1 KR2 R3 KR0或 R1 KR3 R2 KRX0 K 为比例系数 实际上这是一般形式的非平衡电桥 非平衡电桥的输出有两种情况 一种是输出端开路或负载电阻很大近似于 开路 如后接高内阻数字电压表或高输入阻抗运放等情况 这时称为电压输出 实际使用中大多采用这种方式 另一种是输出端接有一定阻值的负载电阻 这 时称为功率输出 简称功率电桥 4 44 4 温度信号处理模块温度信号处理模块 温度信号处理电路中采用 ADI 公司的超低失调电压双路运算放大器 OP07 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 25 V 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 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 图 4 5 OP07 引脚图 图 4 6 输入失调电压调零电路 毕业设计 论文 说明书 第 25 页 共 40 页 装 订 线 图 4 7 温度信号处理电路 OP07 构成差分放大器 增益为 5 可调电位器 R9 接在 OP07 的 1 7 和 8 引脚上 进行输入失调电压的调零 R0 R1 R2 和 Pt1000 铂电阻一起构成测 温电桥 IN 和 IN 构成一对差分模拟信号 送入 OP07 信号处理电路 由虚短 知 V1 V1 4 2 V2 V2 4 3 由虚断知 运放输入端没有电流流过 则 R14 R15 R16可视为串联 通过 每一个电阻的电流是相同的 电流 I V1 V2 R15 4 4 则 Vo1 Vo2 I R1 R2 R3 V1 V2 R14 R15 R16 R15 4 5 由虚断知 流过 R4与流过 R6的电流相等 若 R4 R6 则 V3 Vo2 2 4 6 同理若 R3 R5 则 Vo3 V3 V3 Vo1 4 7 故 V3 Vo3 Vo1 2 4 8 由虚短知 V3 V3 4 9 由上式得 Vo3 Vo2 Vo1 4 10 由 4 5 4 8 和 4 9 可得 毕业设计 论文 说明书 第 26 页 共 40 页 装 订 线 Vo3 V1 V2 R14 R15 R16 R15 4 11 式 4 11 中 R14 R15 R16 R15是定值 此值确定了差值 V1 V2 的放大倍 数 4 54 5 RS232RS232 通讯模块通讯模块 AX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS 232 标准串口设计的单电源电平转 换芯片 使用 5v 单电源供电 来实现 PC 机与单片机的串行通信 它把电脑的 串行口 RS232 信号电平 10 10V 转换为单片机所用到的 TTL 信号点平 0 5V 这样就可以实现两种电平的相互转换 进而实现彼此间的通信 又由于笔记本电脑本身不带串口 所以还要加一个 RS232 转 USB 的电路 电 路图如下所示 图 4 8 电平转换电路 毕业设计 论文 说明书 第 27 页 共 40 页 装 订 线 图 4 9 串口线实物图 4 64 6 单片机最系统模块单片机最系统模块 图 4 10 单片机最小系统的原理图 图 4 11 a 单片机最小系统 正面 图 4 11 b 单片机最小系