温度自动测试仪器正文

-.z.1前言温度是一种最根本的环境参数，人们的生活与环境温度息息相关，在工业生产过程中需要实时监测温度，在农业等生产过程中也离不开温度的监测。因此研究温度的测量与显示系统具有重要的现实意义。本次实验是将平时学习的知识用到实际当中去。我们知道人工手动记录一个导热物体的散热温度，是非常困难的，一是其散热时间如果很长，难免会让人疲劳。二是如果温度的变化很快，记录的人根本不能分辨记录，等等诸多原因都将限制人工手动的记录。简单的说温度自动测试仪器是将物体温度的变化值，转化成微弱的电信号再经放大电路放大，A/D转换，存储然后显示，什么时候需要数据就什么时候把数据提出来使用，大大的节约了人力，简化了整个过程。在现代的工业生产中，实验室中自动温度测试仪都有很好的用武之地。2方案设计2.1方案比拟与论证方案一设计框图如下所示：DS18B20DS18B20按键LCD显示MCU图2.1方案一框图方案一温度自动测试仪采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改良型智能温度传感器DS18B20作为人测元件，测温范围收—55~125℃，最大分辨率可达0.0625℃，DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低本钱和易使用的特点。方案二设计框图如下：温度传感器温度传感器程控放大电路A/D转换MCULCD显示按键图2.2方案二框图方案二采用热电偶传感器，热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的准确度；测量范围广，可从-50~l600℃进展连续测量，特殊的热电偶如金铁—镍铬，最低可测到一269℃，钨—铼最高可达2800℃。大大的提高了测温范围。并且采用了INA114仪用放大器提高了放大精度。高精度的A/D转换器7135具有±20000个数的分辨率，而且有BCD码和STB选通信号输出，与微机接口十分方便。在小型化仪表中，应该以最少的元件完成尽可能多的任务，7135只要一个I/O和8051内部的一个定时器就可以把数据送入单片机，节约了硬件资源。2.2方案选择比拟两种方案，其优点上面都已介绍了。但是方案一，不能应用于高温场合，这必将限制其应用的范围。而且其精度与方案二所用的仪用放大器相比拟也用明显的缺乏之处。最后综合各种实际因素我们觉得采用方案二来实现。3单元模块设计3.1特殊器件介绍3.1.1INA114仪用放大器INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD传感器和医疗仪器等。INA114只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值,内部输入保护能够长期耐受±40V,失调电压低〔50μV〕,漂移小〔0.25μV/℃〕,共模抑制比高〔G=1000时为50dB〕,用激光进展调整,可以在±2.25V的电压下工作,使用电池〔组〕或5V单电源系统,静态电流最大为3mA。INA114采用8引脚塑料封装或SOL-16外表封装贴件,使用环境温度为-40℃～+85℃。INA114的内部电路和引脚布局如图3.1和图3.2。图3.1INA114内部电路图3.2INA114引脚布局3.1.2ICL7135介绍ICL7135精度高、抗干扰性能好、价格低，应用十分广泛。ICL7135具有±20000个数的分辨率，而且有BCD码和STB选通信号输出，与微机接口十分方便，因此有很多文章介绍ICL7135作为微机的高精度A/D接口电路。本此设计与常用的方法不同之处是利用ICL7135的"busy〞输出信号与单片机MCS-51衔接。ICL7135是以双积分方式进展A/D转换的电路。每个转换周期分为三个阶段：自动调零阶段，被测电压积分阶段，对基准电压进展反积分阶段。以输入电压V*为例，其积分器输出端〔ICL7135的4脚〕的波形如图3.4所示。"busy〞输出端〔ICL7135的21脚〕高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用"busy〞作为计数器门控信号，控制计数器只能在busy为高电平时计数，将这段busy高电平时间内计数器的内容减去10001，其余数便等于被测电压的数值。图3.3"busy〞输出波形3.1.3热电偶传感器在该设计中采用K型镍铬-镍硅热电偶,分度号为K,对0～1300℃的温度为0～52.410mV。该热电偶特点有:热电势高、热电特性近于线性、性能稳定、复制性好、价格廉价、精度高等。如图3.5为热电偶的构造图,假设A为正级,B为负极,所产生的总电动势为E(t,to)=EAB(t)-EAB(to),其中t端为工作端,to端为冷端。在测量中,必须把冷端的温度保持恒定或采用一定方法处理。为了表示输出电压与温度之间的特性,一般手册上都有热电偶特性分度表,如表3.1为其K型镍铬-镍硅热电偶的分度表。图3.4热电偶的构造图表3.1K型镍铬-镍硅热电偶的分度表参考端温度：0℃T,℃-200-1000100200300400500E,mV-5.891-3.5540.0004.0968.13812.20916.39720.644T,℃6007008009001000110012001300E,mV24.90529.12933.27537.32641.27645.11948.83852.410当使用热电偶测量温度时,要求冷端温度保持0℃,这样才能准确地使用热电偶特性分度表查得所测温度。由于热电偶的材料一般都比拟贵重〔特别是采用贵金属时〕，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低本钱，通常采用补偿导线把热电偶的冷端〔自由端〕延伸到温度比拟稳定的控制室内。3.2硬件模块设计3.2.1中央处理器设计在中央处理局部我们采用的是89C52单片机。在本系统中89C51已经足够用了。它完成了此系统中最主要的工作，数据的处理，放大倍数的调整，数据显示等。引脚连线如下列图所示：图3.5单片机连线图3.2.2信号放大电路设计信号放大局部电路图如下。这个局部我们采用INA114仪用放大器，并采用放大10，100，1000倍，三个档位，档位的选择上我们利用继电器连接单片机的P1.0,P1.1,P1.2三个引脚。图3.6INA114仪用放大局部3.2.3A/D转换电路设计TCL7135的主要性能特点为：1〕输入阻抗达109Ω以上，对被测电路几乎没有影响；2〕自动校零；3〕有准确的差分输入电路；4〕自动判别信号极性；5〕有超、欠压输出信号6〕采用位扫描与BCD码输出。7135的硬件电路图如下：图3.77135电路可利用单片机AT89C51的ALE信号作为ICL7135的脉冲(CLK)输入。电路中我们采用两4013芯片对单片机ALE端发出的信号进展四分频。图3.8四分频电路3.2.4显示电路设计我们采用LCD1602进展所测温度的显示，硬件电路连接如下列图所示。电路中我们主要用到了P0口所以有上拉电阻。图3.9LCD显示3.2.5按键电路设计按键局部如下列图，按键局部主要是控制存储数据的读取工作。图3.10按键3.2.6串口电路设计串口局部我们采用MA*232，其主要完成与上位机的通信工作。电路如下列图所示：图3.11串口连接图3.2.7电源电路设计设计中我们设计了两个电源一个图3.12是专门为INA114提供。电源设计为+-9V。图3.12+-9V双电源图3.13电源为公有电源+5V，为系统提供电能。图3.13+5V电源4软件设计硬件电路描述如下：89C51单片机的P1.0~P1.7分别接有LCD14脚~7脚，P2.4P2.5P2.6接LCD的RS,RW,E。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别接有四个按钮K1~K4，按下按钮时，相应引脚被接地。K1按下为显示上一条数据，K2按下为显示下一条数据。K3按下为停顿显示，K4按下为开场。LCD显示A/D转换LCD显示A/D转换初始化键盘扫描入口数据处理出口4.1键盘扫描子程序设计键盘扫描局部主要是判断，K1、K2、K3、K4键之一是否被按下。如果被按下就要执行相应的命令。未被按下，则按顺序继续执行，以后的程序。程序框图如下：显示上一条显示上一条显示下一条K3被按下K2被按下K1被按下数据处理K4被按下停顿显示开场显示YNYNYNY图4.2键盘程序框图按键扫描程序：voidk_down(void){ if(!key_down) { delay5ms(26); if(!key_down) { if(set==1) { out=0; over(); if(out==0) //如果没有按下退出键 { switch(sec) { case1:price_one-=1; //如果选的是第一位 if(price_one<0)price_one=9; four(); //更新显示 break; case2:price_two-=1; //如果选的是第二位if(price_two<0)price_two=9; four(); //更新显示 break; case3:price_three-=1; //如果选的是第三位 if(price_three<0)price_three=9; four(); //更新显示 break; case4:price_four-=1; //如果选的是第四位 if(price_four<0)price_four=9; four(); //更新显示 break; } } } elseif(see==1) { num-=1; if(num<0)num=9; first(we[num]); second(pr[num]); } while(!key_down); } }}4.2LCD显示子程序设计LCD1602的显示程序模块，首先将LCD1602进展初始化，写控制命令，然后对LCD1602进展读写命令的操作。子程序子程序入口写入数据写入数据显示温度值显示温度值子程序子程序出口图4.3LCD显示框图LCD子程序如下：voidnow(uintn_value1,uintn_value2){ ucharn_one1,n_two1,n_three1,n_four1; ucharn_one2,n_two2,n_three2,n_four2,n_five2; uchari; uchartable1[]="parameter:"; uchartable2[]="time:"; if(out) { for(i=0;i<10;i++) { LCD_wdat(table1[i]); delay(5); } LCD_wdat(n_one1+'0'); LCD_wdat(n_two1+'0'); LCD_wdat('.'); LCD_wdat(n_three1+'0'); LCD_wdat(n_four1+'0'); LCD_wdat('L'); LCD_wdat(''); LCD_wdat(''); LCD_wdat(''); LCD_w(0*80+0*40); for(i=0;i<6;i++) { LCD_wdat(table2[i]); delay(5); } LCD_wdat(n_one2+'0'); LCD_wdat(n_two2+'0'); LCD_wdat(n_three2+'.'); LCD_wdat(n_four2+'0'); LCD_wdat('0'); LCD_wdat(n_five2+'.'); LCD_wdat('0'); LCD_wdat('0'); LCD_wdat(''); LCD_wdat(''); } }5系统调试5.1总体仿真调试在ISIS软件下画出LCD1602最小系统。并且利用keil软件编写程序，LCD仿真图如下所示。但是在ISIS软件里的仿真结果是理想的参数下的结果，与实际硬件调试有一定的差距。图5.1系统仿真由于我们还没有开场硬件调试所以只有通过仿真调试。在仿真过程中我们只有利用ISIS仿真进展调试，通过LCD1602显示来调试程序。最开场我们只能显示一排，然后通过修改程序让它显示两排，但是LCD1602每排最多可以显示16个字符。因为显示接在P0口所以必须要接上上拉电阻才可以。5.2硬件调试对硬件的调试首先对电源进展了测试，数字电路的电源的测试值与理论值没一点误差，都为标准的5V。在对模拟电路的电源进展测试的时候出现了一点问题，就是在测试负电源的时候测得的数据比理论值小很多，7909的输出只有-2.5V左右，远小于理论值，而且电路中的元件发热特别厉害。经过用万用表仔细的检测测试，发现在一个贴片电容被短路了，经改正后就正常了。之后我们又对A/D和输入电压与对应的温度显示的测试。从J3的1脚输入0到2V电压，J4接口的1脚和3脚接220V/9V变压器输出的交流电压，J2接口接220V/9V变压器输出的交流电压，接上LCD1602,通过串口下载接口J5，下载程序。当输入电压发生变化，LCD1602显示值发生变化，证明ICL7135正常工作，程序运行正确，在实际的硬件图片中我们可以看到，系统正面的元件很少，那是因为我们选择了大量贴片元件，节约了空间也节约了本钱。5.2.1电源局部的调试电源局部分为模拟电源和数字电源，模拟电源提供±9V和±5V电压。数字电源提供+5V电压。J4接口的1脚、2脚、3脚接220V/12V变压器输出的交流电压，J2接口接220V/9V变压器输出的交流电压。R21的2脚的电压1V是通过调节电位器R21得到的。5.2.2LCD1602显示电路调试首先通电，J2端接220V/9V变压器输出，LCD1602通过J7的1到13引脚引出，LCD1602的3脚直接接地，6～13脚接LCD的数据输入端。15脚背光正极接VCC，16脚背光负极接地。把程序通过串口下载接口J5下载到单片机内，观察LCD1602显示的字符。经过实践验证，MA*232能够正常的运行，即可以将程序写入单片机，而LCD1602也能够正常的工作。5.2.3ICL7135A/D转换电路调试首先给各个芯片供电，在J4接口的1脚和3脚接220V/12V变压器输出的交流电压，J2接口接220V/9V变压器输出的交流电压。接上LCD1602,通过串口下载接口J5，下载程序。在ICL7135的9脚和10脚(信号地)接入一个由1.5V的干电池和1K的滑动变阻构成的简单分压器做模拟量输入。当改变输入的信号电压，LCD1602显示值按预期的值对应的发生变化，这就证明ICL7135正常工作，程序运行正确，A\D转换局部调试完毕。INA114放大局部调试首先给各个芯片供电，在J4接口的1脚和3脚接220V/12V变压器输出的交流电压，已给TL084供电。再J1处接入一个由1.5V的干电池和1K的滑动变阻构成的简单分压器。输入信号为20mA。且其1脚接正，2脚接地。程序运行让R23这条支路导通，再调节电位器R23,测试TL084的1脚输出电压。使其到达输出与输入之比为10。100倍，1000倍调试一样。6.系统功能、指标参数测试的电源电压数据如下：表6.1电源电压输出测试表元件7809790978057905理论值〔V〕+9-9+5-5实际值(V)+8.97-8.96+4.98-4.94放大电路的测试：表6.2放大增益测试表增益GR(Ω)输入Vi(mV)输出V0(V)105K300.30395105K600.60573810050050.49616210050090.89362710005011.001384温度显示的测试：特别说明温度的显示测试我们是利用输入微弱电信号来到达测试目的的。表6.3温度显示测试表输入信号〔mV)0.7946.92410.14819.781温度显示(℃)201702504807.结论此次课程设计经过为期多周的不懈努力，目前根本到达了预期的要求，通过对整个系统的调试，可得到如下结论：该设计电路测温范围为0～1300℃,分辨率高；测量误差小。本应在设计中再参加键盘控制,可以选择不同热电偶,以到达对不同测温环境,从而使测量更准确和测量量程更大,但由于时间问题,该设计没做出来。系统构造简单，可靠性高，本钱低，实用效果良好。在本次设计中，到达了该课题设计的根本要求,首先是加强了我对传感器信号