基于PT100的数字温度计设计

1、郑州轻工业学院 传感器及应用系统课程设计说明书 数字温度计设计 姓 名： 专业班级： 学 号： 指导老师： 时 间： 郑州轻工业学院 课程设计任务书课程设计任务书 题目题目 数字温度计设计数字温度计设计 专业、班级专业、班级 电子信息工程电子信息工程 09091 1 学号学号 姓名姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一、一、 主要内容：主要内容： （1 1）整体电路设计（画出电路组成框图）；）整体电路设计（画出电路组成框图）； （2 2）信号检测电路设计；）信号检测电路设计； （3 3）信号号放大电路设计，电路参数选取、数据计算；）信号号放大电路设计

2、，电路参数选取、数据计算； （4 4）a a / / 转换电路设计转换电路设计 （5 5）显示电路设计。）显示电路设计。 二、二、 基本本要求：基本本要求： （1 1）采用热电阻传感器组成测量电路；）采用热电阻传感器组成测量电路； （2 2）电路组成：测量电桥、运算放大电路、）电路组成：测量电桥、运算放大电路、 / / 转换、显示电路；转换、显示电路； （3 3）测量范围为）测量范围为-199.9-199.9 +199.9,+199.9, 不进行非线性校正；不进行非线性校正； （4 4）假设在实验装置上进行模拟实验，测量出需经实验确定的参数或系数；）假设在实验装置上进行模拟实验，测量出需经实验

3、确定的参数或系数； （5 5）写出）写出 50005000 字左右的工作原理说明，附系统图一张。采用热电阻传感器。字左右的工作原理说明，附系统图一张。采用热电阻传感器。 三、三、 主要参考资料：主要参考资料： 完完 成成 期期 限：限：20122012 年年 6 6 月月 1111 日日20122012 年年 6 6 月月 1515 日日 指指导导教教师师签签章章： 专业负责人签章：专业负责人签章： 20122012 年年 6 6 月月 8 8 日日 数字温度计设计 电子信息工程 09 级 1 班 指导老师： 摘要：本文在查阅、分析了现有的几种不同的测温原理，分析确定了热敏电阻 测温，并对基于

4、热敏电阻的数字温度计的设计进行了深入探讨和研究。该系统分为 测温模块、信号放大模块、a/d 转换模块和控制显示模块，并分别对其进行方案分 析，最终确定数字温度计系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了 各模块电路的工作原理，分析了以 at89c51 单片机为主控单元的系统硬件和软件设 计，并对该系统进行误差分析，使我们对于系统的各种性能有了进一步认识。 本设计采用 at89c51 单片机，tlc2543 a/d 转换器，op07 放大器，铂电阻 pt100、lcd1602 及电源模块组成系统，并设计了相应的软件流程图，使其实现温 度的实时显示。该系统的优点是：使用简便；测量精确、稳定

5、、可靠；测量范围 大；使用对象广。 关键词：pt100 ；测温；单片机；数字温度计 目录目录 1 1 概述概述1 2 2 系统硬件电路设计系统硬件电路设计2 2.1 电源模块.2 2.2 信号采集模块2 2.3 信号调理放大模块4 2.4 a/d 转换模块5 2.5 单片机控制模块7 2.6 液晶显示模块8 3 3 系统软件设计系统软件设计10 3.1 软件总体流程设计10 3.2 系统软件实现原理10 3.3 系统程序构建10 4 4 总结与展望总结与展望12 参考文献参考文献13 附录：总原理图附录：总原理图14 1 1 概述概述 改革开放以来，人们的生活水平逐渐提高，国民经济也取得了长足

6、的发展。在 人们日常的生产和生活中，温度已经成为了一种不可或缺的因素，人们总是会在出 门前根据温度信息来增添衣物。在一些科研院所和生产车间，对温度信息要求很严 格的地方，需要精确的、实时的、范围广的温度信息并能及时的显示。 本设计采用单片机对温度信息进行采集、处理并以数字形式显示，以其测量精 度高，测温范围广，操作简单、运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医 疗，工业生产等方面的温度测量。 本系统采用 8051 系列的 at89c51 单片机系统为核心开发数字温度计系统。系 统硬件原理图如图 1-1： 图 1-1 系统框图 根据系统的设计要求，选择 pt100 作为本系统的温度传感器，选

7、择单片机 at89c51 为测温系统的核心来完成数据采集、处理、显示等功能。由框图我们可以 看出，硬件系统由 pt100 组成的电桥测温模块、双电源供电的信号调理放大模块、 a/d 转换模块、at89c51 控制模块、液晶显示模块和供电模块组成。 该系统的总体设计思路如下：电阻传感器 pt100 组成的电桥电路把所测得的温 度信息经过放大、模/数转换发送到 at89c51 单片机上，经过 51 单片机处理，将把 温度信息在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符 lcd1602 液晶模块。检测范 围200.0 摄氏度到+200.0 摄氏度。 2 2 数字温度计系统硬件电路设计数字温度计系统硬件电

8、路设计 系统的硬件组成电路主要有以下几个部分：（1）电源模块；（2）信号采集模 块；（3）信号调理放大模块；（4）a/d 转换模块；（5）单片机控制模块；（6） 液晶显示模块；下面是对各个模块电路的详细讲述。 2.12.1 电源模块电源模块 考虑到本设计的方便性、实用性，系统的引入电源为220v交流电，通过12v的 变压器降压，再通过整流桥整流，之后分为两路，一路通过lm7809芯片输出稳定的 9v直流电源，再通过lm7805芯片输出稳定的5v直流电源，另外一路通过lm7909芯片 输出稳定的-9v电源。其原理图如图2-1所示： 图2-1 电源模块原理图 输出的正负9v电源为放大电路供电，+5

9、v电源为信号采集电路、a/d转换电路、 单片机和液晶显示供电。电路中电容主要起绿波稳压的作用。 2.22.2 信号采集模块信号采集模块 介绍信号采集电路之前，我先介绍一下我选用的传感器，我用的是铂电阻 pt100作为传感器。热电阻pt100是最常用的温度传感器之一，与其他热敏电阻相比， 它的主要优点是测量精度高（可精确到0.1摄氏度） ，线性度好，测量范围广（- 200650） ，性能稳定，使用方便，完全满足设计要求，所以我最终选择铂电 阻pt100作为传感器。 pt100温度传感器属于正电阻系数，其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式 表示： 在0650范围内： rt =r0*(1+at+bt

10、2) 在-2000范围内： rt =r0* (1+at+bt2+c(t- 100)t3) 式中a、b、c 为常数， 其中： a=3.9684710-3； b=-5.84710-7； c=-4.2210-12； 图2-2 电阻温度曲线图 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，电阻温度曲线如图2-2 所示，因此 在测量较小范围内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为华氏温度。 pt100是电阻式温度传感器，测温的本质其实是 测量传感器的电阻，通常是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

11、器换算出相应温度。采用pt100测 量温度一般有两种方案： 方案一：设计一个恒流源通过pt100热电阻，通 过检测pt100 上电压的变化来换算出温度。 方案二：采用惠斯通电桥，电桥的四个电阻中 三个是恒定的，另一个用pt100热电阻，当pt100电 阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差 换算出温度。两种方案的区别只在于信号获取电路的不同， 图2-3 信号采集电 路 其原理上基本一致。考虑到系统的精确度等，信号采集电路我采用了后者。其原理 图如图2-3所示。 信号采集电路选用5v直流电源供电，经查表计算得，pt100在零下200摄氏度时 对应的阻值为18.49，所以r3选用一个15的电

12、阻，并串联一个50的电阻，实 现调0的作用。pt100在200摄氏度时对应的阻值是175.84，所以电阻r1、r2选取 相同的10k的电阻，使得电桥输出的电势差范围为：077mv。 2.32.3 信号调理放大模块信号调理放大模块 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在相对 精确的放大器电路中，一般要求放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比、 高输入阻抗、低输出阻抗等特性的大多采用的是三运放结构，如图2-3所示，三运 放中由a1、a2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，如图2- 4所示： 图 2-4 三运放结构的高性能放大器原理图 随着近年来微电

13、子技术的发展，市面上 出现了不少专用的高性能的芯片， ad620、ad623 就是具有上述描述的三运放结 构。虽然使用 ad620 可以很方便的解决本设 计的放大问题，但由于其线性范围比较窄， 只有在 0.83.6v 范围内线性度良好，所以 本设计采用三片 op07 芯片来实现放大。 + - a1 + - a2 + - a3 r2r1 r7r6 r3 r5 r4 v in v out op07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的 图 2-5 op07 管脚分布图 双极性运算放大器集成电路。其引脚分布如图 2-5 所示。由于 op07 具有非常低的 输入失调电压（对于 op07a 最大为 25v ，

14、所以 op07 在很多应用场合不需要额外 的调零措施。op07 同时具有输入偏置电流低（op07a 为2na）和开环增益高（对 于 op07a 为 300v/mv）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 op07 特别适 用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 op07 具有以下特点： 超低偏移： 150v 最大 。 低输入偏置电流： 1.8na 。 低失调电压漂移： 0.5v/ 。 超稳定，时间： 2v/month 最大 高电源电压范围： 3v 至22v 本设计的信号调理放大电路原理图如图 2-6 所示： 图 2-6 放大模块原理图 op07 采用正负 9v 双电源供电，根据放

15、大模块原理图以及运放的特性可得： v03 = （r8/r7）* (1+2*r5/r4) * (int0-int1) 若要使电桥输出的电势差 077mv 放大到 05v，则要求放大倍数为 65 倍左右， 即（r8/r7）* (1+2*r5/r4)=65，合理取值得： r5=r6=24k；r7=r9=2k；r8=r10=10k； r4 选用 10k 的电位器，当其阻值调制 4k 时，可实现电路放大 65 倍，即信号调理 放大电路输出的是 05v 的模拟电压信号。 2.42.4 a/da/d转换模块转换模块 信号调理放大电路输出的电压信号是连续变化的模拟量，通常用单片机对这些 信号进行处理，则需要将

16、其转换成数字量，a/d 转换器就是为了将连续变化的模拟 量转换成计算机能接受的数字量。根据 a/d 转换器的工作原理，常用的 a/d 转换器 可分为两种，双积分式 a/d 转换器和逐次逼近式 a/d 转换器。 在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用德州仪器公司生产的 12 位开关电容型逐次逼近模数转换器 tlc2543，它具有三个控制输入端，采用简单 的 3 线 spi 串行接口可方便地与单片机机进行连接，是 12 位数据采集系统的最佳 选择器件之一。 tlc2543 的主要特性如下： (1) 11 个模拟输入通道； (2) 66ksps 的采样速率； (3) 最大转换时间为 10

17、s； (4) spi 串行接口； (5) 线性度误差最大为1lsb； (6) 低供电电流(1ma 典型值)； (7) 掉电模式电流为 4a。 tlc2543 的引脚排列如图 2-7 所示。 图 2-7 tlc2543 的引脚分布图 ain0ain10：模拟输入端，由内部多路器选择。对 4.1mhz 的 i/o clock，驱 动源阻抗必须小于或等于 50。 cs：片选端，cs 由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能 data out、data input 和 i/o clock。cs 由低到高的变化将在一个设置时间内禁止 data input 和 i/o clock。 data input

18、：串行数据输入端，串行数据以 msb 为前导并在 i/o clock 的前 4 个上升沿移入 4 位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后 i/o clock 将余下的几位依次输入。 data out：a/d 转换结果三态输出端，在 cs 为高时，该引脚处于高阻状态； a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 a6 7 a7 8 a8 9 gnd 10 a9 11 a10 12 r- 13 r+ 14 /cs 15 do 16 di 17 clok 18 eoc 19 vcc 20 tlc2543 当 cs 为低时，该引脚由前一次转换结果的 msb 值置成相

19、应的逻辑电平。 eoc：转换结束端。在最后的 i/o clock 下降沿之后，eoc 由高电平变为低电 平并保持到转换完成及数据准备传输。 vcc、gnd：电源正端、地。 ref、ref：正、负基准电压端。通常 ref接 vcc，ref接 gnd。最大输 入电压范围取决于两端电压差。 i/o clock：时钟输入/输出端。 tlc2543 每次转换和数据传送使用 16 个时钟周期，且在每次传送周期之间插 入 cs 的时序。根据 tlc2543 时序图可以看出，在 tlc2543 的 cs 变低时开始转换和 传送过程，i/o clock 的前 8 个上升沿将 8 个输入数据位键入输入数据寄存器，

20、同 时它将前一次转换的数据的其余 11 位移出 data out 端，在 i/o clock 下降沿时数 据变化。当 cs 为高时，i/o clock 和 data input 被禁止,data out 为高阻态。 tlc2543 与单片机的连接如图 2-8 所示。 图 2-8 a/d 转换模块 tlc2543 采用 5v 供电，因为信号采集放大电路输出的电压范围为 05v，所 以 tlc2543 的基准电压接的分别是+5v 和地。tlc2543 输出的数据可以是 8 位、 12 位和 16 位，位数的控制通过单片机发送命令控制，标号为本电路要求温度的测 量范围为-199.9+199.9，所以

21、选用 12 位的输出就能满足要求。 2.52.5 单片机控制模块单片机控制模块 本设计是采用 at89c51 单片机作为主控电路，因为它在高温环境中稳定性好， 支持在线编程 isp，无需专用的编程器，调试方便。单片机控制模块的原理图如图 2-9 所示。 从电路原理图中我们可以看出，单片机采用 5v 供电，led 和电阻 r13 为电源 指示电路，c14、c15 和晶振组成单片机的晶振电路，c11 和 r11 组成单片机的复 位电路，p1.0p1.3 接 tlc2543 控制接口，p0 口为显示器 lcd1602 的 8 位数据接 口， p2.5p2.7 为 lcd 的控制端口。ea/vpp 接

22、+5v，单片机首先访问内部程序存 储器，当地址大于 0fffh 时，会自动转到外部程序存储器。 图 2-9 单片机控制模块原理图 2.62.6 液晶显示模块液晶显示模块 本次课程设计的显示模块，我选用的是 lcd1602 液晶显示。1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块， 它有若干个 5x7 点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。它具有 功耗低、体积小、显示内容丰富、 超薄轻巧等特点，常用于袖珍式仪 表和低功耗应用系统中。其引脚分 布如图 2-10 所示： 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚：vss 为电源

23、地 第 2 脚：vdd 接 5v 电源正极 图 2-10 lcd1602 引脚分布图 第 3 脚：v0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源 时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10k 的电位器 调整对比度） 。 第 4 脚：rs 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指 令寄存器。 第 5 脚：rw 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操 作。 第 6 脚：e(或 en)端为使能(enable)端。 第 714 脚：d0d7 为 8 位双向数据端。 第 1516 脚：空脚或背光灯电源。15 脚背

24、光正极，16 脚背光负极。 显示模块的原理图如图 2-11 所示： 图 2-11 显示模块原理图 3 3 数字温度计系统软件设计数字温度计系统软件设计 3.13.1 软件总体流程设计软件总体流程设计 软件设计采用 c 语言或汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能 模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软 件的调试修改。 3.23.2 系统软件实现原理系统软件实现原理 按照本系统的测温需要，需要将受温度影响的热敏电阻 pt100 的改变产生的小 电压信号，经过放大、a/d 转换，再经过单片机处理得到相应的温度信息并显示。 本电路中，信号采集部分采用的是电

25、桥电路，根据电桥电路原理以及 r1、r2、r3 的取值，得v = vcc*rpt/(rpt+r1)-r3/(r2+r3)。经计算得电桥部 分输出的电压范围是 077mv；放大部分采用的是三运放结构，增益为：a =（r8/r7）* (1+2*r5/r4)，取 r8=10k，r7=2k，r5=24k，r4=4k（通过电位器调节 实现）可得放大倍数为 65 倍，放大后输出的电压范围为 05v；a/d 转换部分用的 是 12 位 tlc2543 芯片，基准电压接的是+5v 和 0v，转换后输出的数字量范围是 000fff；经过单片机处理，对应-200+200 摄氏度，对应关系为：t = -200.0

26、+ (400.0/4096)*x,可以精确到 0.1 摄氏度，再经 lcd1602 输出显示。 3.33.3 系统程序构建系统程序构建 数字温度计软件部分采用模块化设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模 块、中断检测模块、延时处理模块、数据处理模块和显示模块，其软件系统的主程 序实现流程如图 3-1 所示。 图 3-1 主程序实现流程 开始 调用初始化模块子程序，初始化 tlc2543，初始化液晶显示，定时器 t0赋初值，打开中断 调用中断子程序中获得 的a/d转换后的数据 调用数据处理子程序 调用显示子程序 结束 4 4 总结与展望总结与展望 数字温度计是为了测量大范围的温度而设计开发的。在单片机技术与热敏电 阻传感器的巧妙结合下，可以有效的测出温度信息，并实时以数字形式显示。该温 度计可以广泛的应用在极冷或极热的环境里，操作简便，精确度高，为测量人员提 供了方便。 本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作: (1) 本文在前半部分详细叙述了热敏电阻传感器的原理及为何选用 pt100 热 敏电阻作为本设计的传感器，使我更加了解了本设计的设计目的及要求。