基于PT100的温度测量系统设计毕业设计.doc

基于PT100的温度测量系统设计毕业设计（论文） 摘 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AD转换器进行温度信号的采集另外还设计了时钟电路模块能实现对温度的实时测量本设计采用了两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01本文采用AT89S51单片机TLC2543 AD转换器DS1302时钟芯片AD620放大器铂电阻PT100及6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实时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PT100 单片机温度测量 DS1302AbstractThis article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100 In this design it is use a PT100 platinum resistance as temperature sensor in order to acquisition the temperature signal it use of constant-current temperature measurement method and use single-chip control Amplifier A D converter In addition it designs a clock circuit modules to achieve real-time measurement of temperatureIt can still improve the perform used two-wire temperature circuit and reduce the measurement eror The temperature precision is reached 01 between 0100 The system contains SCM AT89S51 analog to digital convert department TLC2543 DS1302 chip AD620 amplifier PT100 platinum LED Digital tube with six write the corresponding software program to achieve real-time temperature display The system is simple accurate stable and wide range Keywords PT100 SCM Temperature Measures DS1302目 录前 言第一章 方案设计与论证第一节 传感器的选择第二节 方案论证第三节 系统的工作原理第四节 系统框图第二章 硬件设计第一节 PT100传感器特性和测温原理第二节 信号调理电路第三节 恒流源电路的设计第四节 放大电路的设计第五节 AD转换器的选择与设计电路第六节 DS1302时钟电路设计2第七节 单片机控制电路4第八节 按键和显示电路14第三章 软件设计错误未定义书签第一节 系统软件设计说明16第二节 软件的有关算法16第三节 软件的流程图17第四节 部分设计模块9第四章 电路仿真的设计与分析2第一节 Proteus仿真软件介绍2第二节 电路仿真设计2第三节 仿真分析26结 论7参考文献8附录A9附录B0致 谢1前 言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感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应用性比较强设计系统可以作为温度测量显示系统如果稍微改装可以做热水器温度调节系统生产温度监控系统等等本课题主要任务是完成环境温度检测并显示温度和实时的时间设计后的系统具有操作方便控制灵活移植性强等优点本设计系统包括温度传感器信号放大电路AD转换模块时钟模块数据处理与控制模块温度时间显示模块六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第一章 方案设计与论证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Pt100Pt1000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DS18B20IM公司的65766577ADI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IM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-55125而且温度的测量精度都不高好的才05一般有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01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具体的型号为WZP型铂电阻该传感器的测温范围从200650具体在0100的分度特性表见附录A所示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AD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-200650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AD620作为信号放大器TLC2543作为AD转换部件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AD转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机AT89S51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数码管进行显示另外外接一个时钟芯片DS1302产生时钟信号送入到单片机中进行处理控制并将时间显示出来以实现温度的实时监控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AD转换电路系统的总结构框图如图所示图1 系统的总结构框图第二章 硬件设计电阻式温度传感器 RTD Resistance Temperature Detector 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0650范围内Rt R0 1AtBt2 在-2000范围内Rt R0 1AtBt2C t-100 t3 式中ABC 为常数A 39684710-3B -584710-7C -42210-12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R Ro 1T 其中 000392 Ro为100 在0的电阻值 T为华氏温度因此铂做成的电阻式温度传感器又称为PT100PT100温度传感器的测量范围广-200650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作为温度传感器主要技术指标测温范围-200650摄氏度测温精度01摄氏度稳定性01摄氏度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再将模拟信号转换成数字信号再由处理器换算出相应温度采用Pt100 测量温度一般有两种方案方案一设计一个恒流源通过Pt100 热电阻通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度方案二采用惠斯顿电桥电桥的四个电阻中三个是恒定的另一个用Pt100 热电阻当Pt100电阻值变化时测试端产生一个电势差由此电势差换算出温度两种方案的区别只在于信号获取电路的不同其原理上基本一致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AD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AD转换器接受的电压信号 从上述关于PT100传感器测温原理可知由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种一种是构成的十分常见的电桥电路当然在本系统中考虑成本的问题一般采用单臂桥还有一种是运用恒流源电路将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上述两种电路的结构形式见图21所图21 两种信号获取的结构电路根据测试技术的有关知识图21中的a图的输出与电阻的阻值不是个正比的关系因而数据处理起来特别麻烦尤其是用单片机来处理这些非线性的问题而图B的由于恒流源的作用使得电压输出与电阻成良好的线性关系因此本系统采用恒流源电路来获取温度信号恒流源电路的设计有用三极管构成的有用专门的恒流管也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的恒流效果十分理想系统设计的恒流源电路见下图22所示图22 由运放构成的恒流源电路上图中由于运放虚地的结果造成OP-07的反相输入端为0V而图中15K电阻的下端由于运用精密的电压源LM336-25外加调整电路该点电压可调整为2500V而由于运放的输入阻抗极高输入端可以认为不吸入电流因此从15K电阻上流过的电流大小固定而且一定等于OP-07输出端流入温度传感器PT100的电流从而达到恒流的效果连接PT100两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的放大器这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关图示15K电阻的精度及温度稳定性要好我们采用的是高精度高稳定的电阻还有是一定要选择输入阻抗高的运放包括产生虚地处的运放图中OP07和后级的放大器图中的AD620否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果最后一点是参考电压图中是25V的稳定性要高这里的参考电压采用是LM336-25V作为参考电压基准放大电路的设计放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键根据查阅相关资料在放大器电路精选中一般在首级放大器有低噪声低输入偏置电流高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构如下图23所示三运放中由A1A2构成前级对称的同相反相输入放大器后级为差动放大器在这个结构图中要保证放大器高的性能参数的对称性与一致性显得尤为重要不仅包括外围的电阻元件R1与R2R3与R4R5与R6还包括A1与A2放大器的一致性因此要自制高性能的放大器对器件要求相当高随着微电子技术的发展市场上出现了专用的高性能的仪用放大器它的内部核心结构还是三运放但是采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题图23 三运放结构的高性能放大器原理图随着近年来微电子技术的发展市面上出现了不少专用的高性能的芯片AD620AD623就是具有上述描述的三运放结构在本设计中我们根据手中的元器件材料最终选择了AD620作为放大器电路的首级放大AD620是低价格低功耗仪用放大器它只需要一只外部电阻就可设置11000倍的放大增益它具有较低的输入偏置电流较快的建立时间和较高的精度特别适合于精确的数据采集系统如称重和传感器接口也非常适合医疗仪器的应用系统如ECG检测和血压监视多路转换器及干电池供电的前置放大器使用AD620的内部结构是由OP-07组成的三运放结构性能大大优于自制的三运放IC电路设计其基本接法是在1脚与8脚之间外接一RG电阻增益由式G 1494KRG确定由于它的外围电路十分简单所以它在本系统中的应用见下图24所示由于我们的温度测量范围是0100而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为100欧姆13851欧姆由于我们设计的恒流源为53毫安因此AD620的输入端为1667毫伏假设考虑我们的TLC2543的最大输入为5000V我们设计的放大器的增益在尽量保证分辨率的条件下则为20倍假设我们只用一个AD620则AD620的输出为2V5V TLC只能转换5V 这样12位的AD转换器的分辨率则大于题目的要求01因此我们必须将100欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉然后通过增加放大倍数来尽量提高分辨率这里我们设计的偏置电路同样见下图24所示这里设计的首级放大器的倍数是20倍而后级放大则为4倍合计的放大倍数为80倍这样就完全满足设计分辨率的要求图24 放大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AD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AD转换器的工作原理常用的AD转换器可分为两种双积分式AD转换器和逐次逼近式AD转换器双积分AD转换器工作原理双积分AD转换器采用间接测量的方法它将被测电压转换成时间常数T双积分AD转换器由电子开关积分器比较器计数器和控制逻辑等部分组成所谓双积分就是进行一次AD转换需要两次积分电路先对被测的输入电压Vx进行固定时间 T0 的正向积分然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接参考电压Vr由于参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的所以反向积分的斜率是固定的从反向积分开始到结束对参考电压进行反向积分的时间T正比于输入电压输入电压越大反向积分时间越长用高频标准脉冲计数测此时间即可得到相应于输入电压的数字量特点可以有效的消除干扰和电源噪声转换精度高但是转换速度慢逐次逼近型AD转换器工作原理逐次逼近型AD转换器由DA转换环节比较环节和控制逻辑等几部分组成其转换原理为AD转换器将一待转换的模拟输入电压Ui与一个预先设定的电压Ui预定的电压由逐次逼近型AD转换器中的DA输出获得电压相比较根据预设的电压Ui是大于还是小于待转换成的模拟输入电压Uin来决定当前转换的数字量是0 还是1据此逐位比较以便使转换结果相应的数字量逐渐与模拟输入电压相对应的数字量接近 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12位开关电容型逐次逼近模数转换器TLC2543它具有三个控制输入端采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接是12位数据采集系统的最佳选择器件之一TLC2543与外围电路的连线简单三个控制输入端为CS 片选 输入输出时钟 IOCLOCK 以及串行数据输入端 DATAINPUT 片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个采样保持是自动的转换结束EOC输出变高TLC2543的主要特性 1 11个模拟输入通道 2 66ksps的采样速率 3 最大转换时间为10s 4 SPI串行接口 5 线性度误差最大为1LSB 6 低供电电流 1mA典型值 7 掉电模式电流为4ATLC2543的引脚排列如图所示 图25 TLC2543的引脚AIN0AIN10模拟输入端由内部多路器选择对41MHz的IOCLOCK驱动源阻抗必须小于或等于50CS片选端CS由高到低变化将复位内部计数器并控制和使能DATAOUTDATAINPUT和IOCLOCKCS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATAINPUT和IOCLOCKDATAINPUT串行数据输入端串行数据以MSB为前导并在IOCLOCK的前4个上升沿移入4位地址用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压之后IOCLOCK将余下的几位依次输入DATAOUTAD转换结果三态输出端在CS为高时该引脚处于高阻状态当CS为低时该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平EOC转换结束端在最后的IOCLOCK下降沿之后EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输VCCGND电源正端地REFREF正负基准电压端通常REF接VCCREF接GND最大输入电压范围取决于两端电压差IOCLOCK时钟输入输出端TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期且在每次传送周期之间插入CS的时序根据TLC2543时序图可以看出在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程IOCLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATAOUT端在IOCLOCK下降沿时数据变化当CS为高时IOCLOCK和DATAINPUT被禁止DATAOUT为高阻态TLC2543与单片机的连接图26 TLC2543电路DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能低功耗带RAM的实时时钟电路它可以对年月日周日时分秒进行计时具有闰年补偿功能工作电压为25V55V采用三线接口与CPU进行同步通信并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器DS1302是DS1202的升级产品与DS1202兼容但增加了主电源后背电源双电源引脚同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力本设计中采用DS1302时钟芯片产生时钟信号通过单片机进行处理控制并显示出实时的时间可以用于对温度进行实时的数据采集引脚功能及结构 DS1302的引脚排列其中Vcc1为后备电源VCC2为主电源在主电源关闭的情况下也能保持时钟的连续运行DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电当Vcc2大于Vcc102V时Vcc2给DS1302供电当Vcc2小于Vcc1时DS1302由Vcc1供电X1和X2是振荡源外接32768kHz晶振RST是复位片选线通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送RST输入有两种功能首先RST接通控制逻辑允许地址命令序列送入移位寄存器其次RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段当RST为高电平时所有的数据传送被初始化允许对DS1302进行操作如果在传送过程中RST置为低电平则会终止此次数据传送IO引脚变为高阻态上电运行时在Vcc25V之前RST必须保持低电平只有在SCLK为低电平时才能将RST置为高电平IO为串行数据输入输出端 双向 后面有详细说明SCLK始终是输入端 DS1302的引脚功能图图27 DS1302引脚图DS1302的控制字节 DS1302 的控制字如图28所示控制字节的最高有效位 位7 必须是逻辑1如果它为0则不能把数据写入DS1302中位6如果为逻辑0则表示存取日历时钟数据为1表示存取RAM数据位5至位1指示操作单元的地址输入或输出最低有效位 位0 如为0表示要进行写操作为1表示进行读操作控制字节总是从最低位开始输出 数据输入输出 IO 在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302数据输入从低位即位0开始同样在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据读出数据时从低位0位到高位7 DS1302的寄存器 DS1302有12个寄存器其中有7个寄存器与日历时钟相关存放的数据位为BCD码形式其日历时间寄存器及其控制字见图28所示1RAMCKA4A3A2A1A0RDWR图28DS1302的控制字节此外DS1302 还有年份寄存器控制寄存器充电寄存器时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类一类是单个RAM单元共31个每个单元组态为一个8位的字节其命令控制字为C0HFDH其中奇数为读操作偶数为写操作另一类为突发方式下的RAMDS1302与单片机的连接 DS1302与CPU的连接需要三条线即SCLK 7 IO 6 RST 5 这三条线分别接到CPU的IO线上 单片机控制电路本设计是采用AT89S51单片机作为主控电路其中P1口为AD转换器和DS1302时钟芯片的通信端口P30P31P32为按键控制P0口接数码管的段码P2口接数码管的片选端用于对数码管进行片选如图所示图2 单片机控制电路按键和显示电路按键电路 本设计共设计3个按键用来设置和修改时间设置键接单片机的P32脚用于申请中断以执行键盘中断修改设置时间加键用于修改时间使时间按增形式调整减键用于修改时间使时间按减形式调整其电路图如下图210所示图210 按键电路显示电路 本设计采用6个LED共阳极数码通过三极管驱动来进行时间温度数据的显示其中数码管的段码位分别接单片机的P0口公共端通过三极管接到单片机P20P25端对数码管进行位选其电路图如下图211所示图211 数码管显示电路 第三章 软件设计系统软件设计说明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微机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软件设计主要是对温度进行采集显示通过按键操作进行时间的设置与修改因此整个软件可分为温度采集子程序时钟读取程序按键子程序显示子程序及系统主程序软件的有关算法最小二乘理论获取温度电阻公式根据误差理论我们要获得较高精度的温度测量值办法一般有2个要么采用查表法要么建立高精度的数学模型如果用查表法主要有2个问题如果要提高测量精度则需要建立大量的表格而且得提前做大量得试验来进行多点校正还有一个问题是程序的通用性差这台仪器上校正好得数据可能在另一台上不合适而采用已知的分度表建立数学模型然后通过工程量标度变换通过测量AD转换的结果后计算得到这里我们考虑第2种方法的优点首先采用分段的方法将测量范围分段然后查出该段的数学模型的各个系数然后计算出温度值这里由于时间的关系我们对整个测量范围分了3段分别为049507071100利用分度表进行离线的数学拟合得到各段的数学模型系数同时可通过再将标度值代入可粗略估计在各个测量段内的最大误差值我们通过最小二乘法进行线性拟合得到如下的数学模型为T1 25772R-2577708 0-49T2 26366R-26701 5070T3 27206R-28190 71100上述3个数学模型中最大的理论误差值都小于01能够满足精度要求实际上如果有足够的时间我们完全可以分得再细一些这样理论的误差将会变得更小标度变换公式的获取 根据上述的线性拟合结果T AR-B这里的AB是上述不同温度段的系数而R值由于在输出为0V时实际上有个对应于100欧姆的偏置电路因此根据R-R0 UI而I 2500V1500K而ADUG 40964900V这里的AD值为AD转换得结果G为放大器的增益本设计中的二级放大器放大的倍数为80倍将上述条件代入得T A 49AD4096GI100 -B软件的流程图图31 系统总流程图图32 按键流程图图33 DS1302时钟流程图 图34 温度转换流程图 图35 显示流程图 图36 主函数流程图部分设计模块时钟数据采集模块先向DS1302中写入数据再根据DS1302时间信号的地址读取数据程序如下void write_byte uchar dat 1302写入一字节 uchar aACC datfor a 8a 0a- IO ACC0SCLK 0delayus 10 SCLK 1ACC ACC 1 uchar read_byte 向1302读出一字节 uchar afor a 8a 0a- ACC7 IOSCLK 1SCLK 0ACC ACC 1 return ACC void write_1302 uchar adduchar dat 向1302写入数据 RST 0SCLK 0delayus 5 RST 1write_byte add write_byte dat delayus 5 SCLK 1RST 0 uchar read_1302 uchar add 向1302读出数据 uchar tempRST 0SCLK 0delayus 5 RST 1write_byte add temp read_byte delayus 5 SCLK 1RST 0return temp uchar BCD_Decimal uchar bcd uchar Decimal Decimal bcd 4 return Decimal Decimal10 bcd 0x0F 2 温度采集模块 通过恒流源电路采集到的信号经过放大电路进行放大后送入到AD转换器进行AD转换再送到单片机进行处理将电压转换温度程序如下void delay uchar n 延时程序 uchar ifor i 0i ni uint read2543 uchar port TLC2543驱动程序 uint ad 0iCLOCK 0_CS 0port 4for i 0i 12i if D_OUT ad 0x01 D_IN bit port0x80 CLOCK 1 delay 6 CLOCK 0 delay 6 port 1 ad 1 _CS 1ad 1return ad uint Read_Temp 电压转换函数 uint jfloat m1m2m3m4m5j read2543 0 m1 276243m2 49m3 25m5 276243m4 m1 m21500j409680m3100 -m5m4 m410m1 j231m2 m12576700m3 m2-2570200m4 m310000return m4 第四章 电路仿真的设计与分析Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件它运行于Windows操作系统上可以仿真分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路该软件的特点是实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合具有模拟电路仿真数字电路仿真单片机及其外围电路组成的系统的仿真RS232动态仿真I2C调试器SPI调试器键盘和LCD系统仿真的功能有各种虚拟仪器如示波器逻辑分析仪信号发生器等支持主流单片机系统的仿真目前支持的单片机类型有6800系列8051系列AVR系列PIC12系列PIC16系列PIC18系列Z80系列HC11系列以及各种外围芯片提供软件调试功能在硬件仿真系统中具有全速单步设置断点等调试功能同时可以观察各个变量寄存器等的当前状态因此在该软件仿真系统中也必须具有这些功能同时支持第三方的软件编译和调试环境如Keil C51 uVision2等软件具有强大的原理图绘制功能总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件功能极其强大电路仿真设计 启动Proteus软件按本次设计的原理图画出电路仿真图根据元件属性设置相应元件参数由于PT100温度传感器在仿真过程中波动较大使得显示的温度跳跃变化不易于温度显示与测量因此在本次仿真中用一个电阻来代替PT100热电阻通过改变电阻阻值来反映PT100温度测量另外由于在Proteus软件中不能仿真LM336恒压源所以在本次仿真过程中采用软件自带的-25V的恒压原代替对于数码管显示电路在仿真过程中没有用三级管来驱动是为了画图的方便这对仿真结果没多大影响但在实际电路连接中必须在数码管加上三极管驱动系统电路仿真图如图41所示图41 电路仿真图仿真分析 Proteus软件的仿真是依靠单片机程序来实现的因此先将程序通过第三方Keil C51软件编译连接执行后产生一个HEX文件再与Proteus仿真软件进行关联就可以实现仿真本仿真电路的前置电路的两级放大电路中通过调节一级放大器和二级放大电路的偏置电路中滑动变阻器范围来调节测温范围使输入到AD转换器的模拟电压在0-5V范围内这样才能进行AD转换 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另外在仿真过程中按键会可能产生抖动现象可以通过硬件来消除抖动 本温度测量系统设计是采用PT100温度传感器经过放大和AD转换器送到单片机进行控制温度显示和时间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 这次毕业设计历时至少2个月从一开始的课题确定到后来的资料查找理论学习再有就是近来的调试和测试过程这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升在画原理图电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题这要求保持沉着冷静联系书本理论知识积极地思考实在解决不了时候可以请教同学或指导老师虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题实现了整个系统设计与最后调试相关指标达到预期的要求很好地完成了本次设计任务通过本次毕业设计我了解并掌握了传感器的基本理论知识更深入的掌握单片机的开发应用和编程控制为以后从事单片机软硬件产品的设计开发打下了良好的基础树立独立从事产品研发的信心并在这种能力上得到了比较充分的锻炼1 张琳娜刘武发传感检测技术及应用中国计量出版社19992 沈德金陈粤初MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例北京航空航天大学出版19903 郑建国一种高精度的铂电阻温度测量方案自动化仪表19975 周航慈单片机应用程序设计北京航空航天大学出版社19918版6 李志全等仪表设计原理及应用国防工业出版社1998年6版7 李建民单片机在温度控制系统中的应用江汉大学学报1996年6版8 杨振江等智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用西安电子科技大学出版社200112 版9 刘坤51单片机C语言应用开发技术大全人民邮电出版社20089版附录A WZP型铂热电阻Pt100分度特性表 R0 100欧温度0123456789电阻值欧姆01000010040100791011910159101981023810278103171036710103961043610475105151055410591106331067310712107522010791108311087010910109491098811028110671110711146301118511225112641130311343113821142111460115001153940115781161711657116961173511774118131185211891119315011970120091204312087121261216512201122431228212321601236012399124381247712516125551259412633126721371070127491278812827128661290512944129821302113060130998013137131761321513254132921333113370134081344713486901352413563136021364013679137171375613794138331387210013910139491398714026140641410214141141791421814266附录B 总电路图致 谢在本次毕业设计中我得到了指导老师的热心指导自始至终从设计的选题到设计任务书开题报告外文翻译和论文的完成一直都关心督促毕业设计进程和进度帮助解决毕业设计中遇到的许多问题还不断向我们传授分析问题和解决问题的办法并指出了正确的努力方向使我在毕业设计中学习到许多新的知识也培养了我分析问题的能力和实践动手能力在这里非常感谢指导老师的指导和帮助并致以诚挚的谢意同时身边的同学也给了我提供了许多的帮助在此我向身边关心我的同学及在设计过程中给予我极大帮助的人致以诚挚的谢意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大学四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