刘璐崔子恒.doc

燕山大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 题目 题目 数字温度计的设计数字温度计的设计 学生姓名 学生姓名 崔子恒崔子恒 120103020050120103020050 学生姓名 学生姓名 刘刘 璐璐 120103020056120103020056 学学 院 院 电气工程学院电气工程学院 专专 业 业 精密仪器及机械精密仪器及机械 指导教师 指导教师 侯培国侯培国 金梅金梅 完成日期 完成日期 2014 12 202014 12 20 燕山大学燕山大学 传感器原理与设计传感器原理与设计 课程设计任务书课程设计任务书 院 系 电气工程学院 基层教学单位 仪器科学与工程系 学 号 120103020050 120103020056 学生姓名 崔子恒 刘 璐 专业 班级 精仪一班 设计题目 数字温度计的设计 设 计 技 术 参 数 主要指标如下 测温范围 50 150 非线性误差 0 3 数码管显示所测量的温度值 设 计 要 求 在实验室现有的开发装置上操作 温度传感器可选用 PT100 AD590 热电 偶 热敏电阻中的一种进行 设计调理电路 利用 Protel 或 EWB 等有关工具软件绘制电路原理图 提供元器件清单 可 进行制作调试 提交课程设计说明书 工 作 计 划 周 1 收集消化资料及拟定设计方案 周 2 周 3 敏感元件 传感元件设计 转换电路设计 周 4 设计结果实验验证或演示 撰写设计说明书 周 5 答辩 参 考 资 料 1 唐文彦 传感器 第 4 版 机械工业出版社 2007 年 2 李科杰 新编传感器技术手册 国防工业出版社 2002 年 3 其他 传感器原理 接口电路 设计手册类参考书 指导教师签字基层教学单位主任签字 说明 此表一式四份 学生 指导教师 基层教学单位 系部各一份 2014 年 12 月 12 日 目录目录 第一章第一章 1 1 1 数字温度计的研究意义 1 1 2 数字温度计的国内外研究状况 1 1 3 系统总体设计介绍 2 第二章第二章 4 2 1 关于 PT100 4 2 2 PT100 传感器特性和测温原理 4 第三章第三章 5 3 1 仿真电路的建立 5 3 2 放大电路的设计 6 3 3A D 转换器的选择与设计电路 6 3 4 单片机控制电路 7 第四章第四章 9 4 1 设计小结与体会 9 0 第一章第一章 1 1 数字温度计的研究意义数字温度计的研究意义 温度是日常生活 工业 医学 环境保护 化工 石油等领域最常遇到的一个物理量 也是工业控制中主要的被控参数之一 但是它是看不到的 仅凭感觉只能感觉到大概的温 度值 传统的指针式的温度计虽然能指示温度 但是精度低 使用不够方便 显示不够直 观 数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度 对温度 的测量与控制在现代工业中也是运用的越来越广泛 而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应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解 才能将传感 器和信息通信与信息处理结合起来 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器 其发展速度之快 以及其应用之广 并且还有很 大潜力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 详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的 温度 以及实现热电转换的原理过程 本设计系统包括温度传感器 信号放大电路 A D 转换模块 数据处理与控制模块 温度显示五个部分 文中对每个部分功能 实现过程作了详细介绍 整个系统的核心是进 行温度测量与显示 完成了课题所有要求 1 2 数字温度计的国内外研究状况数字温度计的国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况国外研究状况 最早的温度计是在 1593 年由意大利科学及伽利略 1564 1642 发明的 后来又相继 出现华氏温度计 列式温度计 摄氏温度计 均用水银和酒精等制作 现在英美国家多用 华氏温度计 德国多用列式温度计 而世界科技界和工农业生产中 包括我国 法国等大 多数国家则多用摄氏温度计 随着科学技术的发展和现代工业技术的需要 测温技术也在 不断的改进和提高 由于测温范围变得越来越广 根据不同的要求 又制造出不同需要的 测温仪器 气体温度及 电阻温度计 温差电偶温度计 高温温度计等 而我需要研究的 是数字温度计 它是通过一定的电路和温度传感器进行测控 将温度用数字准确的显示出 来 数据显示比较直观而且测量精度也比较高 范围也比较大 1 1 2 21 2 2 国内研究状况国内研究状况 随着国内外工艺的日益发展 温度检测技术也不断的进步 目前的温度检测使用的温 度计种类繁多 应用范围也比较广泛 大致包括以下几种方法 1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 包括玻璃温度计 双金属温度计 压力温度计等 2 利用热电效应技术制成的温度检测元件 利用此项技术制成的温度检测原件主要是热电偶 热电偶发展较早 比较成熟 至今 仍为应用最广泛的检测元件 热电偶具有结构简单 制作方便 测量范围宽 精度高 热 惯性小等特点 常用热电偶镍铬 镍硅 镍铬 康铜 铂铑 铂 铂锗 3 铂锗 6 等 3 利用热阻效应制成的温度计 可分为电阻测温元件 导体测温元件 陶瓷热敏测温元件 4 利用热幅原理制成的高温计 辐射测温在近年相对其他的测温领域闲的活跃些 热辐射高温计通常分为两种 一种 是单色辐射高温计 一般称为光学高温计 另一种是全辐射高温计 它的原理是物体受热 后 视物体本身的性质 能将其吸收 透过或反射 而受热物体放出的辐射能的多少 与 它的温度有一定关系 热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的 5 利用声学原理进行温度测量 声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术 利用该技术 可以对炉内的烟 气温度测量值和火焰分步进行检测 判断炉的燃烧情况 进行实时调节和控制 1 3 系统总体设计介绍系统总体设计介绍 测温的模拟电路是把当前 PT100热电阻传感器的电阻值 转换为容易测量的电压值 经过放大器放大信号后送给 A D 转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机 AT89C51 单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值 并将数据送出到 LCD 显示器进行显示 本设计系统主要包括温度信号采集单元 单片机数据处理单元 温度显示单元 其中 温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器 温度信号的获取电路 采样 放大电路 A D 转换电路 系统的总结构框图如图所示 2 图 1 3 1 系统的总结构框图 本温度测量系统设计 是采用 PT100 温度传感器经过放大和 A D 转换器送到单片机进 行控制温度显示 另外本系统还可以通过外接电路扩展实现温度报警功能 从而更好的实 现温度现场的实时控制 经过多次的修改和调试测量 本设计基本符合设计要求 由于受人为因素和软硬件的 限制 系统难免不了带来一些误差 但通过调节和精确计算可以减小误差 通过本次温度测量系统的设计 我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深入的学习 在整个设计的过程中 本设计的重点和难点是 怎样将 PT100 热电阻的非电量信号转换为 单片机单片机能识别的电量信号 其中的信号如何放大及放大倍数的确定等等 3 第二章第二章 2 1 关于关于 PT100 PT100 温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表 主要用 于工业过程温度参数的测量和控制 带传感器的变送器通常由两部分组成 传感器和信号 转换器 传感器主要是热电偶和热电阻 信号转换器主要由测量单元 信号处理和转换单 元组成 有些变送器增加了显示单元 有些还具有现场总线的功能 PT100 温度传感器如果由两个用来测量温差的传感器组成 输出信号与温差之间有一 定的连续函数关系 早期生产的 PT100 温度传感器其输出信号与温度传感器的电阻器或电 压值之间呈线性函数关系 标准化输出信号主要为 0m 10mA 和 4mA 20mA 的直流电信号 不 排除具有特殊规定的其他标准化输出信号 温度变送器按供电接线方式可分为两线制和四 线制 2 2 PT100 传感器特性和测温原理传感器特性和测温原理 电阻式温度传感器是指一种物质材料作成的电阻 它会随温度的改变而改变电阻值 PT100 温度传感器是一种以铂 Pt 做成的电阻式温度传感器 属于正电阻系数 其电阻 阻值与温度的关系可以近似用下式表示 在 0 600 范围内 2 2 1 2 0 1 RtRAtBt 在 200 0 范围内 2 2 2 23 0 1 t 100 RtRAtBtCt 式中 A B C 为常数 A 3 96847 B 5 847 C 4 22 3 10 7 10 12 10 由于它的电阻 温度关系的线性度非常好 因此在测量较小范围内其电阻和温度变化 的关系式如下 2 2 3 0 1 RRT 其中 0 00392 为 100 在 0 的电阻值 T 为华氏温度 因此铂做成的电阻式温 0 R 度传感器 又称为 PT100 PT100 温度传感器的测量范围广 200 600 偏差小 响应时间短 还具有抗 振动 稳定性好 准确度高 耐高压等优点 其得到了广泛的应用 本设计即采用 PT100 作为温度传感器 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 变化转换成电压或电流等模拟信号 然后再将模拟信号转换成数字信号 再由处理器换算 4 出应温度 5 第三章第三章 3 1 仿真电路的建立仿真电路的建立 如图 将 PT100 放置一单桥中 等效为恒压源输出 通过后面的差放电路将信号放大 得到不同阻值下的电压 50 0V 150 3 765V 等效电压源输出的电压不能过大 通过差放电路放大 图 3 1 1 当输入为 150 时的仿真电路 图 3 1 2 当输入为 50 时的仿真电路 6 3 2 放大电路的设计放大电路的设计 本次放大电路我选用的是 LM358 其内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的 双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推 荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模 块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 3 2 13 2 1 信号调理电路信号调理电路 调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中 A D 转换器能识别的 信号 作为本系统 由于温度传感器是热电阻 PT100 因此调理电路完成的是怎样将与温 度有关的电阻信号变换成能被 A D 转换器接受的电压信号 3 3A D 转换器的选择与设计电路转换器的选择与设计电路 在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量 通常需要用计算机对这些信号进行处 理 则需要将其转换成数字量 A D 转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能 接受的数字量 根据 A D 转换器的工作原理 常用的 A D 转换器可分为两种 双积分式 A D 转换器和逐次逼近式 A D 转换器 1 双积分 A D 转换器工作原理 2 逐次逼近型 A D 转换器工作原理 在本设计系统中 为了将模拟量温度转换成数字量 采用德州仪器公司生产的 4 通道 12 位串行输出采样模数转换器 ADS7841 具体连线如下图所示 图 3 3 1A D 转换器连线图 7 3 43 4 单片机控制电路单片机控制电路 本设计是采用 AT89C51 单片机作为主控电路 AT89C51 单片机是 Atmel 公司的产品 与 Intel 公司的 MCS51 系列兼容 在 AT89C51 单片机内部有作为程序存储器的 Flash 存储器 其容量为 4KB 可以承受不低于 1000 次的反复擦写 调试比较方便 其中 P1 口为 A D 转换 器的通信端口 P2 口为按键控制 P0 口为 LCD 的数据端口 具体电路图如下 图 3 4 1 AT89C51 单片机主控电路 3 4 13 4 1 按键和显示电路按键和显示电路 本次设计使用 4x4 矩阵键盘 将其行线以及列线接到单片机的 P2 口 其中列线接上拉 电阻然后在通过异或逻辑门在接至单片机的 P2 0 到 P2 3 口 具体连线如下图所示 图 3 4 2 按键电路 8 本次设计使用 LCD12864 来显示温度采集结果 其中将 LCD 的数据口接入单片机的 P0 口 具体接线如下图所示 图 3 4 3 显示电路 整体电路示意图如下 图 3 4 4 整体电路示意图 9 第四章第四章 4 1 设计小结与体会设计小结与体会 本方案设计完成温度测量及控制的任务 由总体电路可知此温度测量控制系统硬件电 路由于单片机的使用简单明了 每一部分功能较为单一集中 便于设计及排查问题 但软 件方面较为复杂 使用 PT100 作为温度传感器元件 可用连