基于PT100传感器的温度测量系统的设计.doc

精品文档信息与控制工程学院硬件课程设计说明书基于PT100传感器的温度测量系统的设计学生学号： 09540216 学生姓名： 张瑞秋 专业班级： 测控0902 指导教师： 金炳涛 职 称： 讲师 起止日期： 2012.3.52012.3.25 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology1欢迎下载。精品文档课程设计任务书1、 设计题目：基于PT100传感器的温度测量系统的设计二、设计目的：1. 通过实验加深理解PT100测温原理及PT100的调理电路；2. 掌握基于PT100温度传感器的测温系统的结构及组建方法，电路板的焊接及检测；3. 编写相关程序并进行调试，完成测温功能；4. 增强学生动手实践能力。三、设计任务及要求 设计并实现温度传感器。1. 根据各器件的原理，制定相关方案，掌握各器件的工作原理；2. 参与设计过程，编写驱动程序，下载到单片机进行调试并完成相关功能； 3. 完成硬件设计论文 。四、设计时间及进度安排设计时间共三周（2012.3.52012.3.25）,具体安排如下表：周安排设 计 内 容设计时间第一周查找相关资料，制定设计方案，画出电路图，根据电路图进行电路板的焊接及检测2012.3.52012.3.11第二周找相关资料，编写软件程序，进查行调试并完成功能2012.3.122012.3.18第三周撰写并修改设计论文，直至完成2012.3.192012.3.25五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):目 录基于PT100传感器的温度测量系统的设计1课程设计任务书I目 录II第1章 概述1第2章 硬件设计及相关介绍22.1 温度传感器系统框图22.2 PT100传感器原理简介22.3 直流电源模块32.4 A/D转换模块32.5 数据控制处理模块42.6显示模块52.7 串口电路及MAX232芯片简介62.7.1 MAX232芯片简介62.7.2串口电路7第3章 软件设计83.1 程序流程图83.2 初始化程序83.2.1单片机初始化程序83.2.2 液晶显示模块初始化程序93.3 液晶显示103.4 温度与电阻值的求取11第4章 误差与数据分析12结论13致谢14参考文献1515欢迎下载15欢迎下载。第1章 概述随着科学技术的发展，传感器技术的应用领域越来越广泛，需求越来越迫切，对其要求也越来越高。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，发展速度快，应用广，并且还有很大潜力。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，详细地阐述了利用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监测显示温度,具有操作方便，控制灵活、移植性强等优点。本设计系统主要包括以下五大模块（1） 温度传感器 （使用芯片PT100）（2） 直流电源电路模块 （3） A/D转换模块 （使用芯片ICL7135）（4） 数据处理 （使用单片机SST89E51）（5） 显示模块 （使用液晶模块NOKIA5110）第2章 硬件设计及相关介绍2.1 温度传感器系统框图温度传感器它的主要功能是把模拟信号通过A/D转换电路转换成相应的数字信号，然后通过单片机的处理和运算，在LCD显示器进行显示。设计原理及流程图如图2.1所示：单片机LCD液晶显示模块AD转换电路时钟电路复位电路信号放大调理电路PT100温度传感器 图2.1系统结构框图2.2 PT100传感器原理简介PT100传感器，是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数，可以工作在 -200 至 650 的范围，其电阻和温度变化的关系式如下： R=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro为100(在0的电阻值),T为摄氏温度。PT100温度传感器测量范围广，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，得到了广泛的应用，本设计采用PT100作为温度传感器。主要技术指标：1. 测温范围：-200+650；2. 测温精度：0.1；3. 稳定性：0.1。PT100测温的本质是测量传感器的电阻，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，再由处理器换算出相应温度。本设计采取的方案是设计一个恒流源，使其接通PT100 传感器，并检测PT100上的电压的变化来换算出温度。以PT100作为温度传感器，采用恒流测温，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。 2.3 直流电源模块 横流电压源的基本工作原理为：交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电源。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出电压减直流稳压电源一般是线性稳压电源，其特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。本设计采用固定输出集成恒流电路，电路图如图2.2所示：图2.2 恒流源电路2.4 A/D转换模块 A/D转换模块由芯片ICL7135及外围电路构成，电路图如图2.3。图2.3 A/D模块电路图ICL7135是一种四位半的双积分A/D转换器，可以转换出20000个数字量，有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便，具有精度高（相当于14位A/D转换），价格低的优点其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：自校准（调零），正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10001个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）。故本设计采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数。将计数的脉冲个数减10000，即得到对应的模拟量。图2.4给出了ICL7135时序，由图可见，当BUSY变高时开始正向积分，反向积分到零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。图2.4 ICL7135时序2.5 系统控制芯片单片机SST89E51引脚及功能.P0口：双向8位三态I/O口，地址总线及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL 负载。.P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。.P2口：8位准双向I/O口，与地址总线复用，可驱动4个LS型TTL负载。.P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。.RST/VPP：RST是复位信号输入端，高电平有效。VPP为本引脚的第二功能，即备用电源输入端。.ALE/PROG：ALE输出为地址锁存允许信号。PROG为本引脚的第二功能。.PSEN：程序存储器允许输出控制端。EA/VPP：EA功能为内外程序存储器选择控制端。此设计中，采用定时计数器0（INT0)外部脉冲计数方法，通过公式：C=Vin*10000/Vref 图2.5 SST89E51引脚图2.6显示模块 液晶显示接口电路如图2.6， 采用NOKIA5110，所有必须显示的功能集成在一块芯片上。图2.6液晶接口电路NOKIA5110引脚功能如下表： 表2.1D/C数据/命令选择端SDIN串行数据输入端SCLK串行时钟输入端GND地端液晶模块串行写/读数据时序：图2.7串行总写协议传送一个字节图2.8串行总写协议-传送读个字节2.7 串口电路及MAX232芯片简介2.7.1 MAX232芯片简介MAX232是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。MAX232 引脚介绍第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。图2.9 MAX232 引脚图2.7.2串口电路图2.10 串口电路第3章 软件设计3.1 程序流程图 本设计需要比较清晰地思路，其程序设计流程图如下：图3.1 程序框图3.2 初始化程序3.2.1单片机初始化程序在本系统中需要使用单片机的计数器和外部中断，故对单片机进行初始化设置。初始化时应设置计数器0为16位计数模式，GATE位设置为1，外部中断0引脚为高电平时开始计数，中断的初始化应该打开外部中断及总中断允许位，外部中断0的触发方式为下降沿触发：Void main()TMOD=0X0D; /1101，设置定时器0为16位计数器模式TH0=0; /清空计数器TL0=0;EX0=1; / 开外部总中断IT0=1; / 设置外部中断0为下降沿触发方式TR0=1; / 启动计数器，等待busy端高电平开始计数EA=1; / 开总中断3.2.2 液晶显示模块初始化程序根据NOKIA5110说明书，此液晶模块的初始化应完成如下工作：复位；指令集的选择；设置显示模式；设置显示地址；清屏；图3.2 NOKIA5110初始化程序如下：LCD_Reset();LCD_WriteCmd(0x21);/芯片激活，并采用指令集 LCD_WriteCmd(0xff);/写vop寄存器为0LCD_WriteCmd(0x20);/芯片激活，采用基本指令集LCD_WriteCmd(0x0c);/正常显示模式LCD_WriteCmd(0x80);/设置X地址为0LCD_WriteCmd(0x40);/设置Y地址为0LCD_ClearScreen();3.3 液晶显示本次设计使用串行方式进行液晶的数据传送，由图3.3的液晶时序图可知，进行数据（命令）的发送时，应首先设置D/C=1（D/C=0）,然后在SCLK的上升沿进行数据的按位发送；图3.3 液晶串行发送一个字节数据时序程序如下 void LCD_WriteByte(BYTE bt) /写单字节函数 char i; SCLK = 0; for (i=0;i8;i+) /下降沿串行发送8位数据 bt = 1;SDIN = CY;SCLK = 1; SCLK = 0; void LCD_WriteCmd(BYTE x) / 写命令函数 DC = 0; /DC=0，送命令LCD_WriteByte(x);void LCD_WriteData(BYTE x) /写数据函数 DC = 1; / DC=1，送数据LCD_WriteByte(x);void DispLcd() / 液晶显示函数sprintf(DispStr1,AD:%dv,AD_Code); /显示AD码sprintf(DispStr2,电阻:%f,RR); /显示pt100当前电阻值sprintf(DispStr3,温度:%f,TT); / 显示温度PutStr(0,0,DispStr1);PutStr(1,0,DispStr2);PutStr(2,0,DispStr3);3.4 温度与电阻值的求取在离散数据的基础上插补连续函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。插值是离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其它点的近似值。由于PT100的特性曲线在实际中未必成绝对的线性，所以在程序的编写时要考虑减小由于PT100的非线性而产生的误差，所以程序在编写时要采用插值法以减小误差，具体原理即取相应数对数据，当给定一个定值时，寻找其前后最近的两组数据并以其为基础取出当前定值所在的映射，进而求出定值对应的具体值。第4章 误差与数据分析根据插值法，可以由测得数据获得液晶显示获得AD码与温度的近似关系。然后将所获得的数据跟PT100分度表对照，可以用以检验自己的作品的准确性。本次设计获得的数据如下表：表4.1 测量数据对应表（R/AD）123456789R()556065707580859095AD465851245515698063756836723076858084101112131415161718R()100105110115120125130135140AD85168875939597701025310630111081148611967192021222324252627R()145150155160165170175180185AD123501282313210136571405014530149251538715789282930313233343536R()190195200205210215220225230AD162421661517036173871885718230187151911319627根据实验数据绘制电阻与AD对应曲线如下：图4.1 电阻/AD 对应曲线由图可知，该曲线在开始阶段呈线性，利用插值法可以准确得到所想得到数值。此时获得的结果是正确的。而当电阻比较大的时候，曲线开始向下弯曲，此时如仍然使用插值法必然会造成误差。造成曲线发生偏差的原因是多方面的。可能是由于硬件焊接问题，或者器件选择方面的差异，还有就是数据连接问题造成系统误差的存在。结论在此次课程设计，我们在金老师的指导下完成了原定计划，特别感谢金老师的悉心指导。本设计中，是以温度采集及检测为总目标，以单片机最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度采集电路、A/D转换单元、LCD液晶显示等等。当然也遇到了诸多问题，例如，在第二周，也就是焊电路板阶段，很大一部分同学不细心，焊成的电路板存在许多