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毕业设计

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dq057基于MCS51的多功能温度测量仪,毕业设计

内容简介：

温 度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。 温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要 监控 CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动 IC 的温度等等，下面介绍几种常 用的温度传感器。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数 (NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度 (即温度每变化一度时电阻的变化 )最高，但热敏电阻的电阻 /温度曲线是非线性的。 表 1是一个典型的 NTC热敏电阻器性能参数，这些数据是对 Vishay-Dale热敏电阻进行量测得 到的，但它也代表了 NTC 热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出 (R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25 时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻 /温度曲线。以表 1中的热敏电阻系列为例， 25 时阻值为 10K的电阻，在 0 时电阻为 28.1K， 60 时电阻为 4.086K；与此类似， 25 时电阻为 5K的热敏电阻在 0 时电阻则为 14.050K。 图 1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻 /温度曲线是非线性的。虽然这里的热敏电阻数据以 10 为增量，但有些热敏电阻可以以 5 甚至 1 为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下： 这里 T指开氏绝对温度， A、 B、 C、 D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在 1%至 10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。 图 2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻 R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与 ADC的参考电压一致，因此如果 ADC的参考电压是 5V， Vref也将是 5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。 nts 自热问题 由于热敏电阻是一个电阻，电流流过它时会产生一定的热量，因此电路设计人员应确保拉升电阻足够大，以防止热敏电阻自热过度，否则系统测量的是热敏电阻发出的热，而不是周围环境的温度。 热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗 散常数来表示，它指将热敏电阻温度提高比环境温度高 1 所需要的毫瓦数。耗散常数因热敏电阻的封装、管脚规格、包封材料及其它因素不同而不一样。 系统所允许的自热量及限流电阻大小由测量精度决定，测量精度为 5 的测量系统比精度为 1 测量系统可承受的热敏电阻自热要大。 应注意拉升电阻的阻值必须进行计算，以限定整个测量温度范围内的自热功耗。给定出电阻值以后，由于热敏电阻阻值变化，耗散功率在不同温度下也有所不同。 有时需要对热敏电阻的输入进行标定以便得到合适的温度分辨率，图 3是一个将 10 40温度范围扩展到 ADC整个 0 5V输入区间的电路。运算放大器输出公式如下： 一旦热敏电阻的输入标定完成以后，就可以用图表表示出实际电阻与温度的对应情况。由于热敏电阻是非线性的，所以需要用图表表示，系统要知道对应每一个温度 ADC的值是多少，表的精度具体是以 1 为增量还是以 5 为增量要根据具体应用来定。 累积误差 用热敏电阻测量温度时，在输入电路中要选择好传感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些场合需要精度为 1%的电阻，而有些可能需要精度为 0.1%的电阻。在任何情况下都应用一张表格算出所有元件的累积误差对测量 精度的影响，这些元件包括电阻、参考电压及热敏电阻本身。 nts如果要求精度高而又想少花一点钱，则需要在系统构建好后对它进行校准，由于线路板及热敏电阻必须在现场更换，所以一般情况下不建议这样做。在设备不能作现场更换或工程师有其它方法监控温度的情况下，也可以让软件建一张温度对应 ADC变化的表格，这时需要用其它工具测量实际温度值，软件才能创建相对应的表格。对于有些必须要现场更换热敏电阻的系统，可以将要更换的元件 (传感器或整个模拟前端 )在出厂前就校准好，并把校准结果保存在磁盘或其它存储介质上，当然，元件更换后软件必须要 能够知道使用校准后的数据。 总的来说，热敏电阻是一种低成本温度测量方法，而且使用也很简单，下面我们介绍电阻温度探测器和热电偶温度传感器。 电阻温度探测器 电阻温度探测器 (RTD)实际上是一根特殊的导线，它的电阻随温度变化而变化，通常 RTD材料包括铜、铂、镍及镍 /铁合金。 RTD 元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。 RTD的电阻值以 0 阻值作为标称值。 0 100铂 RTD电阻在 1 时它的阻值通常为100.39， 50 时为 119.4，图 4是 RTD电阻 /温度曲线与热敏电阻的电阻 /温度曲线的比较。 RTD的误差要比热敏电阻小，对于铂来说，误差一般在 0.01%，镍一般为 0.5%。除误差和电阻较小以外， RTD与 热敏电阻的接口电路基本相同。 热电偶 热电偶由两种不同金属结合而成，它受热时会产生微小的电压，电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料，铁 -康铜 (J型 )、铜 -康铜 (T型 )和铬 -铝 (K型 )热电偶是最常用的三种。 热电偶产生的电压很小，通常只有几毫伏。 K型热电偶温度每变化 1 时电压变化只有大约 40V，因此测量系统要能测出 4V的电压变化测量精度才可以达到 0.1 。 由于两种不同类型的金属结合在一起会产生电位差，所以热电偶与测量系统的连接也会产生电压。一般把连接点放在隔热块上以减小这一影响，使两个节点处 以同一温度下，从而降低误差。有时候也会测量隔热块的温度，以补偿温度的影响 (图 5)。 测量热电偶电压要求的增益一般为 100到 300，而热电偶撷取的噪声也会放大同样的倍数。通常采用测量放大器来放大信号，因为它可以除去热电偶连线里的共模噪声。市场上还可以买到热电偶信号调节器，如模拟器件公司的 AD594/595，可用来简化硬件接口。 nts固态热传感器 最简单的半导体温度传感器就是一个 PN结，例如二极管或晶体管基极 -发射极之间的 PN结。如果一个恒定电流流过正向偏置的硅 PN结，正向压降在温度每变化