智能温度测量仪论文.doc

黑龙江八一农垦大学 0 智能温度测量仪 姓名 刘彪 专业 电子信息工程 班级 电子 10 学号 20104075002 时间 2013 4 1 黑龙江八一农垦大学 1 目目 录录 目录 1 1 功能说明 2 2 系统总体设计 2 2 1 设计方案论证 2 2 2 方案的总体设计框图 3 2 3 元件的选择与说明 3 2 3 1 温度传感器 3 2 3 2 ADC0809 模数转换器 4 2 3 3 AT89C52 单片机 5 2 3 4 运算放大器 6 2 3 5 LED 数码显示管 7 2 3 6 7805 稳压管 7 3 硬件电路 8 3 1 电源电路 8 3 2 晶振电路 8 3 3 上电复位电路 8 3 4 前端信号测量电路 9 3 5 总体电路及相关说明 9 4 软件设计 10 4 1 系统软件设计说明 11 4 24 2 程序流程 11 附件 11 参考文献 14 黑龙江八一农垦大学 2 一 功能说明一 功能说明 采用铂电阻 PT100 作为传感器测量外界温度 将铂电阻接 入电桥测量现场温度 再经差动放大电路放大成 0 5V 的电压信号 然后通过 ADC0809 将采集到的模拟信号转变数字信号 再将数字信 号送入 AT89C52 单片机通过编程实现非线性补偿与滤波功能 最后 经 LED 显示器显示测量温度 传感器工作原理 传感器工作原理 pt100 是铂热电阻 简称为 PT100 铂电阻 它的阻值会随着温度 的变化而改变 PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧姆 在 100 时它 的阻值约为 138 5 欧姆 它的工业原理 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值 为 100 欧姆 它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的 二 系统总体设计二 系统总体设计 2 12 1 设计方案论证设计方案论证 根据铂电阻 PT100 的温度特性 将铂电阻接入电桥电路 再把电桥电路输 出的微弱的电压信号送到前置放大电路处理 由 A D 转换器把模拟电压信号转 换成数字信号 并送入单片机中 单片机接收到该测量数字信号后 调用存放 在存储器中的程序对其进行各种智能化处理 如进行非线性补偿 平均滤波 各种进制的转换等 最后得出在允许误差范围内的测量温度值 并由 4 位 LED 显示器动态显示测得的温度值 根据原理 前端电路可以设计成一级放大 二级放大和三级放大 三 二 级放大设计的方法可以将每一级的放大倍数设计成个位数 但是系统随着放大 器个数的增加而不稳定 一级放大器设计方法输出稳定 设计简单 但是放大 倍数比较大 可能导致放大饱和 最终通过搭电路试验确定 采用一级放大系 黑龙江八一农垦大学 3 统比较稳定 2 22 2 方案的总体设计框图方案的总体设计框图 铂电阻 温度测 量电桥 放大 电路 采样 A D 转 换电路 单片机 及外围 电路 LED 显 示电路 2 32 3元件选择与说明元件选择与说明 2 3 1 温度传感器温度传感器 温度传感器选用线性度较好的铂电阻 PT100 将铂电阻接入电桥使用 铂 电阻是将 0 05 0 07 的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管 内构成 它的电阻 Rt 与温度 t 的关系为 Rt Ro 1 At Bt2 式中 Ro 系温 度为 0 时的电阻值 A 3 9684 10 3 B 5 847 10 7 热响 应时间是在阶跃温度作用下 热电阻的输出变化值相当于阶跃变化的 50 时 所需的时间 用 0 5 来表示 下表列出了 PT100 铂电阻的温度和阻值对应关系 温度 0123456789 电阻值 20 92 0491 6491 2490 8490 4490 0489 6489 2488 8488 44 10 98 0395 6395 2394 8394 4394 0393 6393 2492 8492 44 0 100 00 99 6099 2198 8198 4198 0197 6297 2296 8296 42 0100 00 100 40 100 79 101 19 101 59 101 98 102 38 102 78 103 17 103 57 10103 96 104 36 104 75 105 15 105 54 105 94 106 33 106 73 107 12 107 52 20107 91 108 31 108 70 109 10 109 49 109 88 110 28 110 67 111 07 111 46 30111 85 112 25 112 64 113 03 113 43 113 82 114 21 114 60 115 00 115 39 黑龙江八一农垦大学 4 40115 78 116 17 116 57 116 96 117 35 117 74 118 13 118 52 118 91 119 31 50119 70 120 09 120 48 120 87 121 26 121 65 122 04 122 43 122 82 123 21 表 1 2 3 2 ADC0809ADC0809 模数转换器模数转换器 本次设计采用的是 ADC0809 进行模数转换 ADC0809 图 2 是八位逐次逼近式 CMOS 单片 A D 转换器 以下介绍各引脚的功能 ADDA ADDB ADDC 地址选择信号 ALE 地址锁存允许信号 高电平有效 上升 沿将 ADDA ADDB ADDC 锁存 若 ALE 一直接高 电平 则多路模拟开关中的某一路就成为直通方式 一直接通 START 启动转换信号 高电平有效 上升沿清除 A D 转换电路中的逐次逼近寄 存器 下降沿启动内部控制逻辑 开始转换 常将 STAR 与 ALE 短接 由同一脉 冲信号进行控制 EOC 转换结束信号 START 的下降沿启动转换后 经过一定的延迟 EOC 由 高变低 在转换结束时 再低变高 OE 输出允许信号 高电平有效时 使三态缓冲器脱离三态 将转换后的数字 量送至外部数据总线 D0 D7 Vref Vref 参考电压正端和副端 它们是内部八位 A D 转换电路中电阻网络 两端所需外加的参考电压端 D0 D7 外部数据输入总线 与 CPU 的数据总线相连 IN0 IN7 模拟电压输入端 根据需要输入电压可以加到一路或若干路 也可 以全加 但转换时每次只选择一路进行 CLOCK 时钟信号输入端 Vcc 电源电压输入端 接 5V GND 接地端 图 2 黑龙江八一农垦大学 5 2 3 3 AT89C52AT89C52 单片机单片机 本次设计采用的单片机是 AT89C52 图 3 其引脚功能如下所述 P0 口 p0 口是一组 8 位漏极开型双向 I O 口 作为输出口时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部外部数 据存储器或程序存储器时 这组口线分时转 换地址 低 8 位 和数据线复用 在访问期 间激活内部上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的的 8 位双 向 I O 口 P1 的输入缓冲级可驱动四个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上 拉电阻把端口拉到高电平 此时可作为输入口 P1 0 和 P1 1 还可 以分 别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX P2 口 P2 是一个带内部上拉电阻的的 8 位双向 I O 口 P2 的输入缓冲级可驱 动四个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电 平 此时可作为输入口 在访问外部程序存储器或 16 位地址的数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器时 P2 口送出 P2 锁存器的内容 P3 口 P3 口是一组带有拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输入缓冲级可驱动四 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作为输入口 Vcc 为电源正端 Vss 为接地 Vcc 接典型值 5V RST 复位引脚 输入高电平使 89C52 复位 返回低电平退出复位 VP 运行方式时 为程序存储器选择信号 接地时 CPU 总是从外部EAEAEA 存储器中取指令 接高电平时 CPU 可以从内部或外部取指令 flash 编程方EA 图 3 黑龙江八一农垦大学 6 式时 该引脚为编程电源输入端 VP 5V 或 12V 外部程序存储器读选通信号 CPU 从外部存储器取指令时 从引PSENPSEN 脚输出读选通信号 负脉冲 运行方式时 ALE 为外部存储器低八位地址锁存信号 flash 编程方 ALE P 式时 该引脚为编程脉冲输入端 X1 X2 内部振荡器电路 反相放大器 的输入端和输出端 外接晶振电路 P0 P1 P2 八位输入输出口 RXD TXD 串口输入输出 外部中断 0 1 的输入线 0INT1INT T0 T1 定时器 T0 T1 外部计数脉冲输入线 外部数据存储器写 读脉冲输出线 WRRD 2 3 4 运算放大器运算放大器 本次设计采用的运算放大器是 LM324N LM324N 为四运放集成电路 图 4 采用 14 脚双列直插塑料封装 内部有四个运 算放大器 有相位补偿电路 电路功耗很小 LM324N 工作电压范围宽 可用正电源 3 30V 或正负双电源 1 5V 15V 工作 它的输入电压可低到地电位 而输出电压范围 为 O Vcc 它的内部包含四组形式完全相同的 运算放大器 除电源共用外 四组运放相互单 独 每一组运算放大器可用如图所示的符号来 表示 它有 5 个引出脚 其中 为两个信号输 入端 V V 为正 负电源端 Vo 为输出端 两个信号输入端中 Vi 为反相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反 Vi 为同相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同 图 4 黑龙江八一农垦大学 7 2 3 5 LEDLED 数码显示管数码显示管 设计选用七段 LED 数码管 图 6 这种数码管是利用 7 个 LED 发光二 极管 外加一个小数点的 LED 组合而成的显示设备 可以显示 0 9 等 10 个数 字和小数点 这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种 共阳极就是把所有 LED 的阳极连接到共同接点 com 而每个 LED 的阴极分别为 a b c d e f g 及 dp 小数点 共阴极则是把所有 LED 的阴极连接到共 同接点 com 而每个 LED 的阳极分别为 a b c d e f g 及 dp 小数点 设计采用共阳极数码管 如图 7 所示 图中的 8 个 LED 分别与上面那个图中的 A DP 各段相对应 通过控制各个 LED 的亮灭来显示数字 图5 图6 图7 实际的数码管的引脚排列 对于单个数码管来说 从它的正面看进去 左 下角那个脚为1脚 以逆时针方向依次为1 10脚 左上角那个脚便是10脚了 上 面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应 3脚和8脚是连通的 这两个都 是公共脚 2 3 6 78057805 稳压管稳压管 因为设计的单元电路需要稳定的 5V 电压作为 电源 所以选用三端稳压集成电 路 7805 图 8 以便输出需要的电压 7805 这种三端稳压用的集成电路只有 三条引脚 输出 分别是输入端 接地端和输 出端 它的样子象是普通的三 极管 TO 220 的 图 8 7805 稳压管 780 5 黑龙江八一农垦大学 8 标准封装 也有 9013 样子的 TO 92 封装 用 78 79 系列三端稳压 IC 来 组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内部还有过流 过热及调整管的 保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 所以电子制作中经常采 用 三 硬件电路三 硬件电路 3 13 1电源电路电源电路 根据芯片资料 稳压管 7805 输入输出与地之间应当接 0 33 微法和 0 11 皮 法的电容 但由于器件的限制 实际电路中直接用 9V 电池的正极作为稳压管 7805 的输入 电池负极接地 实测输出电压为 5 01V 符合要求 3 23 2 晶振电路晶振电路 AT89C52 等 COMS 型单片机内部有一个可 控的反相器 引脚 XTAL1 XTAL2 为反相放 大器的输入端和输出端 在 XTAL1 XTAL2 上外接晶振和电容便组成振荡器 设计时 电容 C1 C2 选用 27 皮法 振荡器的频率主 要取决于晶振的频率 设计选用的晶 振频率为 12MHz 晶振电路如图所示 3 33 3 上电复位电路上电复位电路 在 RST 引脚上输入 2 个机器周期以上的高电平 机机器便进入复位状态 此时 黑龙江八一农垦大学 9 ALE PSEN P0 P1 P2 P3P 输出高电平 RST 上输入返回低电平以后 便退 出复位状态开始工作 上电复位电路如图所示 3 43 4 前端信号测量电路前端信号测量电路 其中 R9 R10 为 1 千欧的电阻 Rt1 为 PT100 铂电阻温度传感器 传感器 在 100 摄氏度时的理论接入阻值为 92 16 欧 实际电路的 R3 的接入阻值为 90 欧 RT 即为铂电阻 PT100 其电阻值随温度的变化而变化 具体见铂电阻分度 表 电桥输出电压 U 的表达式如下 Uo 5 Rpt 1000 Rpt 92 1092 此需要将电桥电路输出的电压通过差动放大电路放大到或接近 5V 通过计算差 动放大电路需要放大约 30 倍 经运放放大后输出电压 Uo 的表达式如下 Uo 150 Rpt 1000 Rpt 92 1092 Ub 黑龙江八一农垦大学 10 3 53 5总体电路及相关说明总体电路及相关说明 本设计是采用 AT89C52 单片机作为主控电路 其中 P0 口为 A D 转换器的 通信端口 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 四 软件设计四 软件设计 4 14 1 系统软件设计说明系统软件设计说明 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 黑龙江八一农垦大学 11 软件设计主要是对温度进行采集 显示 因此 整个软件可分为温度采集子 程序 显示子程序 及系统主程序 4 24 2 程序流程程序流程 开始 初始化程序 调用求平均值子程 序 判断 A D 转换完 成 调用数值转换程序 调用显示子程序 结束 附件 附件 include define uint unsigned int define uchar unsigned char uchar code table 0 x0c0 0 x0f9 0 x0a4 0 x0b0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 x0bf uchar disp 4 定义数组变量 黑龙江八一农垦大学 12 sbit ST P3 0 定义 START 引脚 sbit OE P3 1 定义 OE 引脚 sbit EOC P3 2 定义 EOC 引脚 sbit p17 P1 7 定义数码管小数点 int getdata temp void delay uin