数字式热敏电阻温度计设计

数字式热敏电阻温度计设计数字式热敏电阻温度计设计 I 摘摘 要要 温度作为一个重要的物理量 是工业生产过程中最普遍 最重要的工艺参数之一 所以温度测量技术和测量仪器的研究是一个重要的课题 随着时代的进步和发展 单 片机技术已经伸入到各个领域 基于单片机数字温度计与传统的温度计相比 具有读 数方便 测温范围广 其输出温度采用数字显示 本设计是基于单片机的温度测试系统 采用热敏电阻搭建电桥 进行温度测试 利用高精密仪表放大器 PGA203 对小信号进行放大 该芯片具有失调电压小 输入阻 抗高 共模抑制比高等特点 在进行模数转换是使用 TLC4535 将模拟信号转换为数字 信号 TLC4535 是 14 位的串行 AD 具有转换速率高 低功耗等特点 51 单片机作为 主控制器件进行数据运算 该系统能较好的对温度变化进行实时显示 达到了本设计 的要求 关键字 单片机关键字 单片机 仪表放大器仪表放大器 串行串行 ADAD 温度电桥温度电桥 II The design of digital thermistor trermometer ABSTRACT Temperature as an important physics industrial production process in the most general one of the most important parameters so the temperature measurement technology and measurement instrument research is an important topic With the progress of The Times and development microcontroller technology has dipped into various areas based on single chip digital thermometer and traditional thermometer readings compared with convenient temperature measurement range its output temperature using digital display The design is based on single chip temperature test system build a bridge thermistor temperature test High precision instrumentation amplifier PGA203 small signal amplification the chip has a small offset voltage high input impedance common mode rejection ratio and high During the analog to digital conversion is to use the TLC4535 to convert analog signals to digital signals TLC4535 14 serial AD with a high conversion rate low power consumption characteristics 51 microcontroller as the main control device for data operations The system can be better to temperature changes in real time display to achieve the design requirements III Keywords Sigle chip Instrumentatioa amplifier Serial the AD Temperature bridge 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景 1 1 2 国内外测温状况 1 1 3 温度检测技术介绍 3 第二章第二章 数字式热敏电阻温度计的设计方案数字式热敏电阻温度计的设计方案 2 1 方案一 5 2 2 方案二 5 2 3 方案比较与选择 6 第三章第三章 设计原理与结构设计原理与结构 3 1 温度测量电桥结构及工作原理 8 3 1 1 温度电桥的介绍 8 3 1 2 电路工作原理 9 3 1 3 电路分析 10 3 2 仪表放大器的结构及使用方法 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 3 OP07 的介绍及应用 19 3 4 TLC3545 的介绍及应用 24 3 5 单片机介绍 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 6 LED 显示器简介 21 3 6 1 LED 显示器结构 21 3 6 2 LED 显示器分类 22 3 6 3 LED 显示器的参数 22 3 7 LED 显示器工作原理 22 3 8 键盘电路设计 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 8 1 键盘的作用 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 8 2 键盘电路及其说明 27 3 8 3 键盘的机械抖动 27 第四章第四章 系统结构及工作原理系统结构及工作原理 4 1 系统硬件原理图及相关说明 28 4 1 1 基于 80C51 单片机及其外围电路的主机控制单元 11 4 1 2 PGA203 组成的仪表放大器 16 4 1 3 TLC3545 串行 AD 24 4 1 4 LED 数字显示及其驱动电路 20 第五章第五章 系统程序的设计系统程序的设计 5 1 程序模块设计 32 5 2 仿真环境介绍 错误 未定义书签 错误 未定义书签 5 2 1 Keil 介绍 33 5 2 2 Proteus 介绍 错误 未定义书签 错误 未定义书签 总总 结结 34 参考文献参考文献 36 附附 录录 37 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景课题背景 工欲善其事 必先利其器 这是中国的一句古话 人们早就知道工具的重要 性 随着以知识经济为特征的信息时代的到来 人们对仪器仪表作用的认识愈加深入 作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置 在高新技术的推动下 正跨入真 正的数字化 智能化 网络化的时代 而温度作为一个重要的物理量 是工业生产过 程中最普遍 最重要的工艺参数之一 随着工业的不断发展 对温度测量的要求越来 越高 而且测量的范围也越来越广 对温度的检测技术的要求也越来越高 因此 温 度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的研究课题 温度传感器是当前温度检测的主要器件 本课题的主要出发点是设计出测量温度 检测的温度连续检测的仪器 该论文主要讲述了用温度传感测温的主要原理 实际硬件电路的设计 软件设计 和调试分析 第一章介绍了温度检测现状和仪器仪表的发展现状 第二章提出了几种 单片机数字温度计的设计方案并作出比较 第三章讲述了单片机系统硬件电路的设计 过程 包括对智能温度传感器 DS18B20 详细的介绍以及单片机系统的设计 并讲述了 仪器的软件设计 给出了软件流程图 整套仪器是由单片机系统控制的 包括 LED 显 示器 通讯接口等 第四章进行系统调试分析 这将有助于今后对系统的改进 以进 一步提高系统的测量精度 并讲述了通过本设计所得的结论和心得体会 1 2 国内外测温状况国内外测温状况 随着国内外工业的日益发展 温度检测技术也不断地进步 目前的温度检测使用 的温度计种类繁多 应用范围也较广泛 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 利用此原理制成的温度计大致分成三大类 a 玻璃温度计 它是利用玻璃感温包内的测温物质 水银 酒精 甲苯 煤油等 受热膨胀 遇冷收缩的原理进行温度测量的 b 双金属温度计 它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金 属片作为感温元件 当温度变化时 一端固定的双金属片 由于两种金属膨胀系数不 同而产生弯曲 自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度 c 压力式温度计 它是由感温物质 氮气 水银 二甲苯 甲苯 甘油和低沸点 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 2 液体如氯甲烷 氯乙烷等 随温度变化 压力发生相应变化 用弹簧管压力表测 出它的压力值 经换算得出被测物质的温度值 2 利用热电效应技术制成的温度检测元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶 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 常用的热电偶有以下几种 a 镍铬 镍硅 型号为 WRN 分度号为 K 测温范围 0 900 短期可测 1200 b 镍铬 康铜 型号为 WRK 分度号为 F 测温范围 0 600 短期可测 800 c 铂铑 铂 型号为 WRP 分度号为 S 在 1300 以下的温度可长期使用 短期 可测 1600 d 铂锗 30 铂锗 6 型号为 WRR 分度号为 B 测温范围 300 1600 短期可测 1800 3 利用热阻效应技术制成的温度计 用此技术制成的温度计大致可分成以下几种 a 电阻测温元件 它是利用感温元件 导体 的电阻随温度变化的性质 将电阻 的变化值用显示仪表反映出来 从而达到测温的目的 目前常用的有铂热电阻 分度 号为 Pt100 Pt10 两种 和铜热电阻 分度号有 Cu5O Cu100 两种 b 导体测温元件 它与热电阻的温阻特性刚好相反 即有很大副温度系数 也就 是说温度升高时 其阻值降低 他们的关系为 0 0 11 B TT TT RR e 1 1 式中 RT 在温度 T K 时的电阻值 RT0 在温度 T0 K 时的电阻值 e 自然对数的底 B 常数 其值与半导体材料的成分和制作方法有关 c 陶瓷热敏元件 它的实质是利用半导体电阻的正温特性 用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件 常称为 PCI 或 NCI 热敏元件 PCT 热敏元件分为突变型和缓变型两类 突变型 PCT 元件的温阻特性是当温度达到顶点时 它的阻值突然变大 有限流功能 多数用于保 护电器 缓变型 PCI 元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大 起温度补偿作 用 NCI 元件特性与 PGT 元件的突变特性刚好相反 即随温度升高 它的阻值减小 1 4 利用热辐射原理制成的高温计 辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些 热辐射高温计通常分为两种 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 3 一种是单色辐射高温计 一般称光学高温计 另一种是全辐射高温计 它的原理 是物体受热辐射后 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 与它的温度有一定的关系 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布在线检测 判断炉的燃烧状况 进行实时调节和控制 声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原 理重建温度的测量方法 1 3 温度检测技术介绍温度检测技术介绍 近年来 在温度检测技术领域 多种新的检测原理与技术的开发应用 已取得了 重大进展 新一代温度检测元件正在不断出现和完善化 1 晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件 半导体的电阻温度系数比金 属大 1 2 个数量级 二级管和三极管的 PN 结电压 电容对温度灵敏度很高 基于上 述测温原理己研制了各种温度检测元件 2 集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极 发射极间电压与温度关系 即半导体 PN 结的温度特性 进 行温度检测 并把测温 激励 信号处理电路和放大电路集成一体 封装于小型管壳 内 即构成了集成电路温度检测元件 目前 国内外也进行了生产 3 核磁共振温度检测器 所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时 当与静磁场垂直方向 加以电磁波 会发生对某频率电磁的吸收现象 利用共振吸收频率随温度上升而减少 的原理研制成的温度检测器 称为核磁共振温度检测器 这种检测器精度极高 可以 测量出千分之一开尔文 而且输出的频率信号适于数字化运算处理 故是一种性能十 分良好的温度检测器 在常温下 可作理想的标准温度计之用 4 热噪声温度检测器 它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性 其特点是 a 输出噪声电压大小与温度是比例关系 b 不受压力影响 c 感温元件的阻值几乎不影响测量精确度 所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器 5 石英晶体温度检测器 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 4 它采用 LC 或 Y 型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的 它利 用 P 技术 自动补偿石英晶片的非线性 测量精度较高 一般可检测到 0 001 所以可作标准检测之用 6 激光温度检测器 激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量 用氦氖激光源的激光作反 射计可测得很高的温度 精度达 1 用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测 量更高的温度 上限可达 3000 专门用于核聚变研究 但在工业上应用还需进一 步开发和实验 7 微波温度检测器 采用微波测温可以达到快速测量高温的目的 它是利用在不同温度下 温度与控 制电压成线性关系的原理制成的 这种检测器的灵敏度为 250kHZ 精度为1 左 右 检测范围为 20 1400 8 纯贵金属热电偶的研究 由两种纯金属组成的热电偶 因其材料均匀性远优于合金材料 因而稳定性好得 多 在铂铑合金热电偶 S R 型 的不确定度已很难提高之后 人们开始寻找由纯 贵金属组成的热电偶 以代替 S 和 R 型热电偶 作为传递的标准 9 信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表 现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统 它是信息技术进入工业自动化 后出现的新一代的自动控制系统 现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控 制室内的自控装置之间的数字式 串行 多点通信的数据总线 所有的现场仪表 温 度检测仪表是其中一种 均接到现场总线上 在这样的系统中 通常不应使用各有不 同输出的温度计 必须将输出转变成统一的电信号 这样 温度计 就变成了 温度 变送器 在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器 也有辐射温度变送器 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 5 第二章第二章 数字式热敏电阻温度计的设计方案数字式热敏电阻温度计的设计方案 2 1 方案一方案一 本方案主要是在温度检测部分利用了一款新型的温度检测芯片 DS18B20 这个芯 片大大简化了温度检测模块的设计 它无需 A D 转换 可直接将测得的温度值以二进 制形式输出 该方案的原理框图和硬件原理图如图 2 1 和图 2 2 所示 LED 显示器 80C51 单片机 温度传感器 DS18B20 图 2 1 方案 一 系统结构框图 DS18B20 是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件 它是单片结构 无 需外加 A D 即可输出数字量 通讯采用单线制 同时该通讯线还可兼作电源线 即具 有寄生电源模式 它具有体积小 精度易保证 无需标定等特点 特别适合与单片机 合用构成智能温度检测及控制系统 图 2 2 方案 一 系统硬件原理图 2 2 方案方案二二 系统的硬件电路包括微控制器部分 主机 温度检测 人机对话 键盘 显示 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 6 三个主要部分 系统结构框图和硬件原理图分别如图 2 3 和图 2 4 所示 图 2 3 方案 二 系统结构框图 温度检测部分采用传统的热敏电阻 热敏电阻的阻值随环境温度变化而变化 变 送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号 经 A D 转换器将其转换为单片机可 识别得二进制数字量 单片机主要控制 LED 显示器显示正确的温度值 LED 显示器实 现显示功能 图 2 4 方案 二 系统硬件原理图 2 3 方案比较与选择方案比较与选择 方案 一 与方案 二 的主要区别在温度检测部分 方案 一 主要利用 DS18B20 这块芯片进行温度检测 并将采集到的模拟量转换为单片机识别的二进制数 方案 二 是采用热敏电阻检测温度 然后利用 A D 转换器将温度模拟量转换为二进 制数供单片机处理 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 7 方案 二 与方案 一 相比 它最大的特点就是它能检测的温度范围很大 热 敏电阻的性能决定了整个设计的所能检测的温度范围 方案 一 的温度检测范围已 经由系统中的 DS18B20 的特性所决定 它能检测的温度范围为 55 到 120 其温 度检测范围很宽 已能足够满足一般测量需要 从整体上来看方案 二 比方案 一 更具有实际的锻炼意义 因为我们方案 一 是利用现有的智能温度传感芯片 DS18B20 他无需 A D 转换 直接输出数字量 所以本设计中所使用的温度测量电路 是方案 二 的电路 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 8 第三章第三章 系统硬件设计及工作原理系统硬件设计及工作原理 3 1 系统的整体硬件框图系统的整体硬件框图 本系统温度测量模块主要为温度电桥 温度电桥采用高精度正温度系数阻值大小 为 10K 的热敏电阻和 20K 的定值电阻进行分压 将温度信号转化为电信号 量程转换 模块主要是利用仪表放大器 PGA203 对电压信号进行放大 以避免温度转换的电压信 号太小 信号处理模块主要是利用 OP07 搭建的反相放大器使信号满足 A D 转化器对 模拟输入信号的要求 A D 转换器利用 TLC3545 将模拟信号转化为数字信号 送入到 单片机 最后数据经过单片机处理 驱动数码管进行温度显示 量程转换模块 A D 转化单片机数据理 信号处理模块 温度测量模块 数码管显示 按键控制 图 3 1 系统的整体硬件框图 3 2 温度测量电桥结构及工作原理温度测量电桥结构及工作原理 3 2 1 温度电桥的介绍温度电桥的介绍 温度电桥的主要元件是热敏电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其中铂热是阻的测量精确度是最高的 它不 仅广泛应用于工业测温 而且被制成标准的基准仪 与热电偶的测温原理不同的是 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的 即电阻体的阻值随温度的变化而变化的 特性 因此 只要测量出感温热电阻的阻值变化 就可以测量出温度 目前主要有金 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 9 属热电阻和半导体热敏电阻两类 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示 即 Rt Rt0 1 t t0 3 1 式中 Rt 为温度 t 时的阻值 Rt0 为温度 t0 通常 t0 0 时对应电阻值 为温度系 数 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 Rt AeB t 3 2 式中 Rt 为温度为 t 时的阻值 A B 取决于半导体材料的结构的常数 相比较而言 热敏电阻的温度系数更大 常温下的电阻值更高 通常在数千欧以 上 但互换性较差 非线性严重 测温范围只有 50 300 左右 大量用于家电和汽 车用温度检测和控制 金属热电阻一般适用于 200 500 范围内的温度测量 其特点 是测量准确 稳定性好 性能可靠 在程控制中的应用极其广泛 3 2 2 电路工作原理电路工作原理 热敏电阻 RT 和 R1 R2 R3 及 RPl 组成一个测温电桥 在温度为 20 时 选择 R1 和 R9 并调节 RP 使电桥平衡 当温度升高时 热敏电阻的阻值变小 电桥处于不 平衡状态 电桥输出的不平衡电压 由运算放大器放大 放大后的不平衡电压引起接 在运算放大器反馈电路中的微安表的相应偏转 从而显示相应温度 热敏电阻选用 的阻值在 500 50000 范围之内 其温度电桥电路如下所示 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 10 图 3 2 温度测量电桥电路 3 2 3 电路分析电路分析 1 电桥的基本知识及上述电路电桥分析 电桥的基本电路如图 4 3 所示 3 3 1 电桥输出电压 3 4 2 电桥的平衡条件 3 5 温度电桥示意图如下所示 R1 R3R4 R 2 ui uo I1 I2 a b d c 21 1 RR u I i 43 2 RR u I i i i adabo u RRRR RRRR u RR R RR R RIRIuuu 4321 4231 43 4 21 1 2211 4231 RRRR 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 11 图 3 3 温度电桥原理图 3 电桥的灵敏度 如电桥开始处于平衡状态 当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡 其输出为 3 6 一般 R 很小 即 R New project 菜单 出现一个对话框 要求给将要建立的工程 起一个名字 你可以在编缉框中输入一个名字 点击 保存 按钮 出现第二个对话 框 按要求选择目标器件片 建立新文件并增加到组 分别设置 target1 中的 Target output debug 各项 使程序汇编后产生 HEX 文件 2 C 程序 调试系统程序 Keil单片机模拟调试软件内集成了一个文本编辑器 用该文本编辑器可以编辑源 程序 在集成开发环境中选择菜单 File New 单击对应的工具按钮或者快 捷键Ctrl N 将打开一个新的文本编辑窗口 完成汇编语言源文件的输入 并且完成 源程序向当前工程的添加 然后在集成开发环境中选择菜单 File Save As 可以完成文件的第一次存储 注意 C语言源文件的扩展名应该是 c 它应该与工程文件存储在同一文件夹之 内 在完成文件的第一次存储以后 当对C语言源文件又进行了修改 再次存储文件 则应该选择菜单 File Save 单击对应的工具按钮或者快捷键Ctrl S 实现文件 的保存 接着的工作需要把汇编语言源文件加入工程之中 选择工程管理器窗口的子目 Source Group 1 再单击鼠标右键打开快捷菜单 在快捷菜单中选择 Add File to Group Source Group 1 加入文件对话框被打开 双击要加入的文件名或 者选择要加入的文件名再单击 Add 按钮即可完成把C语言源文件加入工程 3 编译源程序 出现错误时 返回上一级对错误更改后重新编译 直到没有 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 35 错误为止 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 36 总总 结结 本次设计已完成 在整个设计过程中 对于精密放大器和高精度 AD 的选择花费 了我大量的时间 在普通放大器和精密放大器之间 我最终选择了 TI 公司生产的仪 表放大器 PGA203 实践证明使用 PGA203S 所搭建的放大电路简单 应用方便灵活 而且能对微弱信号进行准确放大 在小信号放大中有较大优势 应用前景广阔 如在 工业 空调系统 智能楼宇等领域的温度测量中可以有广泛的应用 在选择 AD 的过 程中开始想使用并行的 AD 最初选择的是 ADC0804 但发现与单片机连接的接口太多 不仅连接复杂 使用不方便 而且精度也不高 后来经过不断的查资料发现串行 AD TLC3545 不仅与单片机连接很简单 控制方便 而且精度也比 ADC0804 要高 这种 串行 AD 己经成为一种非常有发展潜力和广阔应用前景的芯片 我根据已经掌握的理论基础 结合实践 经历几个月的努力 终于完成的单片机 数字温度计的设计 该温度计已成功通过测试 运行良好 系统调试以程序为主 硬件调试比较简单 首先检查电路的连接是否正确 然后 用万用表测试或通电检测 软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验 然后分别进行主函数 PGA203 放大倍数控制 TLC3545 的控制 温度计算转换函数 显示函数的等程序的编程及调试 由于 TLC3545 与单片机采用串行数据传送 因此 对 TLC3545 进行读写编程时必须严格的保证读写时序 否则将无法读取测量结果 本 程序采用单片机 C 语言编写 用 Keil C51 编译器编程调试 软件调试到能显示到温 度值 而且在有温度变化时 例如用手去接触 显示温度发生改变就基本完成 性能测试可用制作温度计和已有的成品温度计来同时测量比较 由于 TLC3545 的 精度很高 所以误差指标可以限制在1 以内 另外 10 55 的测温范围使得该 温度计完全适合一般的应用场合 其低电压供电特性可做成电池供电的手持电子温度 计 脚踏实地 认真严谨 实事求是的学习态度 不怕困难 坚持不懈 吃苦耐劳的 精神是我在这次设计中最大的收益 我想这是一次意志的磨练 是对我实际能力的一 次提升 也会对我未来的学习和工作有很大的帮助 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 37 参考文献参考文献 1 杨素行 模拟电子技术基础 第 3 版 高等教育出版社 2006 2 阎石 数字电子技术基础 第 5 版 高等教育出版社 2006 3 赵茂泰 智能仪器原理及应用 第 3 版 北京 电子工业出版社 2009 4 刘江海 EDA 技术 华中科技大学出版社 2006 5 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 北京 电子工业出版社 2006 6 张忠梅 单片机的 C 语言应用程序设计 第 4 版 北京航空航天大学出版社 2006 7 李朝青 单片机原理及接口技术 第 3 版 北京航空航天大学出版社 2006 8 全国大学生电子设计竞赛组委会 第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品 选编 北京理工大学出版社 2001 9 孙有才 新型 AT89S52 系列单片机及其应用 清华大学出版社 10 姚福安 电子电路设计与实践 山东科学技术出版社 11 实用电子电路手册编写组 实用电子电路手册 数字电路分册 高等教育 出版社 12 李青 电路与电子技术基础 浙江科学技术出版社 武汉大学珞珈学院本科毕业论文 38 附附 录录 系统的整体硬件电路图 系统控制的具体实现程序 include include include define LED DU XBYTE 0 xFD00 define LED WE XBYTE 0 xFC00 define KEY H XBYTE 0 xFC00 define KEY L XBYTE 0 xFE00 sbit SCLK P1 2 sbit SDO P1 1 sbit CSad P1 0 sb