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1、PT100线性测温仪 摘 要：随着现代测量、控制和自动化技术的发展,传感器技术己越来越为人们所重视。本论文即对PT100线性测温进行了分析研究。总的研究思路是通过高精度模/数转换器AD7705，对PT100热电阻电动势进行采样、放大，并在单片机内采用一定的算法实现对热电阻的线性化处理，然后，通过数码管显示出来。采样电路采用三线制接法，使用恒流源产生激励电流通过PT100，采用这种方法可显著地减小导线的电压降，从而保证高精度。关 键 词：PT100 单片机 线性化 AD7705PT100 Linear ThermometerAbstract：With the development of mod
2、ern measurement, control and automation technology, sensor technology has been gaining more and more attention.In this paper, PT100 linear thermometer is analyzed. The general idea is to study high-precision A/D converter AD7705, which samples and enlarges the thermoelectric potential from the PT100
3、 thermal resistance, to use a certain algorithm for the linearization processing in the microcontroller, then to display the data in LED digital tube.The sampling circuit is for three-wire system, and the excitation current through the PT100 is from constant current source,which can significantly re
4、duce the conductor voltage drop,and ensuring high accuracy.前言随着现代工业测量技术的发展,传感器技术己越来越为人们所重视,它是人类社会跨入信息时代的物质基础。它具有构造简单，使用方便，准确度高，热惯性小，稳定性及复现性好，温度测量范围宽等优点，适用与信号的远传，自动记录和集中控制，在温度测量中占有重要地位。各种热电阻中，铂热电的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛的应用。其中以PT100最为常用。PT100可测量-200-850的介质温度，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜。本设计对0-800进行线性化处
5、理和测量。用热电阻传感器进行测温时，热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。所以引线方式有二线制、三线制、和四线制三种。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差，测量精度较高。故本设计采用此测量方法。本设计的线性化处理方法，采用最佳非等距离差值算法进行线性化处理。处理过程是通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样，放大，并在单片机内进行该算法实现热电阻的线性化算法处理，使精度达到0.1%以内，满足工业要求。在本系统设计调试及论文的编写过程中，得到了学校的各位老师及同学的大力支持，在此一并致谢！目 录第一章 引言
6、11.1 PT100测温仪的研究目的及意义11.2 本论文的研究内容及技术方案1第二章系统的硬件设计22.1 概述22.2 STC89C52单片机的外围电路设计22.3 模/数转换电路设计32.3.1 AD7705寄存器介绍32.3.2 AD7705的校准52.4 温度采样电路设计62.5 数码显示6第三章 软件设计73.1 PT100线性化73.1.1 PT100分度表数据分析73.1.2 线性化算法73.2 线性化程序83.3 AD7705程序调试14第四章 试验结果与分析16第一章 引言1.1 PT100测温仪的研究目的及意义随着现代测量、控制和自动化技术的发展,传感器技术己越来越为人们
7、所重视,它是人类社会跨入信息时代的物质基础。 信息的采集和处理是信息社会的支柱之一,信息的处理依赖于计算机技术,而信息的采集则依赖于传感器。在国外,随着生产自动化和实时控制的发展,为了更好地发挥计算机的效能,各国都已开始重视传感器。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等高科技的方向迅速发展。本设计基于对测温精度的提高，以及测温仪器成本的降低，采用热电阻作为传感器，热电阻具有测温范围大、稳定性好和耐氧化等特点。而且不需要冷端补偿，其他热电偶需要冷端补偿。在温度测量中占有重要的地位，具有精度高、可靠性较好、
8、电路简单、成本低、体积小、调试方便等特点。测温元件采用PT100铂电阻,结果证明整个系统的测量误差在1以内,而且整体造价低,经济实用。此方法较好推广,可适用于热电阻温度计的温度测量。1.2 本论文的研究内容及技术方案PT100在不同温度状态下呈现不同的阻值，并且阻值随温度变化近似线性，如果加上对热电阻的非线性校正，可使温度与阻值有很好的线性度。通过液晶屏或数码管显示出来，使用52系列的8位微控制器，加上AD7705作为数模转换，并通过串行通信送入计算机，由计算机软件来实现数据处理，传感器电路采用三线制接法，使用恒流源产生激励电流通过PT100，采用这种方法可显著地减小导线的电压降，从而保证高精
9、度。本系统采用PT100作为测温元件，系统采用STC89C52单片机的软、硬件设计，并采用了基于转换技术的16位无误码模数转换芯片AD7705进行控制；系统用高精度模/数转换器AD7705对热电阻所测得的数据进行模数转换，在单片机内采用一定算法实现对热电阻的线性化处理，硬件连接时，测试信号由AD7705的7、8端输入，由DOUT、DIN端与单片机的P0.1、P0.0口进行数据传输，最终将测试结果由单片机的P3.0、P3.1、P3.7口控制在数码管上显示，最终完成测试任务。具体内容如下： 熟悉STC89C52单片机；熟悉AD7705资料；熟悉PT100的特性；焊接整机电路，确保无虚焊、漏焊和错焊
10、；记录调试过程中的软、硬件数据；设计工作结束后，写出符合要求的毕业设计论文。第二章系统的硬件设计2.1 概述 本设计是基于STC89C52单片机的硬件设计。控制电路以单片机为中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模/数转换部分采用高精度AD转化器AD7705，AD7705的硬件设计，采用AD7705系统校准，提高其抗干扰能力和精度。系统总原理框图如图2.1所示。 图2.1 系统框图2.2 STC89C52单片机的外围电路设计STC89C52系列单片机是新一代强抗干扰、高速、低功耗的单片机，内部含有程序存储器，不需外扩程序存储器即可正常工作，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期和
11、6时钟机器周期可任意选择，最新D版本中集成了MAX810专用复位电路。单片机为本设计的核心控制部分，它与系统各个模块相联系，实现了系统的智能化，其外围电路设计如图2.2所示。图2.2 单片机最小系统主单片机电路由STC89C52单片机、复位电路和晶振电路组成。由于计算机的串行口输出是RS232 信号，逻辑“1”用-3V-25V信号表示，逻辑“0”用+3V+25V 信号表示，不是TTL 信号，与单片机信号不同，因此二者进行通信必须进行电平转换，本设计选用MAX232 芯片来实现这种转换。图2.3为下载电路。图2.3 下载电路 2.3 模/数转换电路设计 AD部分采用16位高精度模/数转换器AD7
12、705。A/D转换电路使用双通道、低成本、高精度模/数转换功能的AD7705，用单片机控制其单双极性、增益倍数和选择通道的输入等。 电路原理图如图2.4所示。 图2.4 AD7705硬件电路图2.3.1 AD7705寄存器介绍 AD7705有几个片内寄存器，可通过7705的串行口进行访问。第1个是通信寄存器，用来控制通道选择。它的内容决定了下一步将对哪个片内寄存器进行“读”操作还是“写”操作，单片机与7705的全部的信息交流都必须从写入通信寄存器入手。第2个是设置寄存器，用它来确定校准模式，增益选择，单/双极操作选择，缓冲器的模式。第3个是时钟标志寄存器，其中包含有滤波器选择位和时钟控制位。第
13、4个是输出数据寄存器，最后一个寄存器是校准寄存器，用来存储通道的校准数据。1.通信寄存器，用来控制通道选择。2.数据寄存器，是16位只读存储器，它存储由AD7705产生的转换结果。3.测试寄存器，用于对装置进行测试。4.零刻度校准寄存器，是24位读/写寄存器。5.满刻度校准寄存器。6.设置寄存器，是即可读出又可写入的8位寄存器。7.时钟寄存器，是8位寄存器，可对它进行读/写。表2.1所示为各寄存器的指令说明。表2.2所示为设置寄存器的指令说明。表2.1 AD7705各寄存器指令说明写允许0/DRDY(0) 寄存器选择RS2(0) RS1(0) RS0(0) 读/写 R/W(0) 标准 STBY
14、(0) 通道选择CH1(0) CH(0)固定为00 0 00写1读指下一次操作对所选寄存器是读还是写固定为0固定为00校准寄存器对0对应模拟通道AIN11校准寄存器对1对应模拟通道AIN20 0 10 1 00 1 11 0 01 1 01 1 1如上寄存器选择中指令 0 0 0 对应 通信寄存器指令 0 0 1 对应 设置寄存器指令 0 1 0 对应 时钟寄存器指令 0 1 1 对应 16位数据寄存器指令 1 0 0 对应 测试寄存器指令 1 1 0 对应 24位偏移寄存器指令 1 1 1 对应 24位增益寄存器表2.2 AD7705设置寄存器指令说明工作模式MD1(0) MD(0)增益选择
15、G2(0) G1(0) G0(0)双/单操作B/U(0)缓冲器控制BUF(0)滤波器同步FSYNC(0)0 0执行正常A/D转换0 1自我校准1 0零刻度校准1 1满刻度校准0 0 0 增益为10 0 1 增益为20 1 0 增益为40 1 1 增益为81 0 0 增益为161 0 1 增益为321 1 0 增益为641 1 1 增益为128双/单极性操作0双1单一般设置为“1”单极性工作0模拟输入端的缓冲器为短路输出1模拟输入串联状态高阻运行一般设置为“1”缓冲输入0状态工作模式选择：1. 正常模式：这种方式下，执行常规A/D转换。2. 自我校准模式：这种方式下，对通信寄存器CH1 CH0两
16、位选定的模拟信道进行自我校准。当自我校准工作开始时，AD7705的12脚DRDY为“1”，当自我校准工作完成时，变为“0”，这时数据寄存器中的新一组A/D转换数据可有效输出。3. 零刻度校准模式：在通信寄存器CH1 CH0选定的通道上（指选定的模拟信号输入端）进行零刻度系统校准。在校准过程中，在AD7705模拟输入端加上输入电压，按照选定的增益进行校准，在校准期间，所加输入电压一定要保持稳定。校准开始时数据输出允许端12脚，即DRDY，为高电平“1”，校准完毕自动变“0”，在数据寄存器中的这个新的对应热偶低端数据即可被访问。4. 满刻度系统校准：在通信寄存器CH1、CH0选定的通道上进行满刻度
17、系统校准。在校准过程中，在AD7705模拟输入端加上输入电压（即用户热电偶使用中所需的高温对应的电压值），按照选定的增益进行校准。在校准期间，所输入电压一定要保持稳定。同零刻度系统校准一样，校准开始时数据输出允许端12脚，即DRDY，为高电平“1”，校准完毕自动变“0”，在数据寄存器中的这个新的对应热电偶高端数据即可被访问。校准结束后，AD7705自动回到正常模式-即MD1 MD0=0 0。2.3.2 AD7705的校准本设计应用系统校准，在此详细介绍系统校准。AD7705的系统校准能够补偿系统增益、偏移量和内部误差。系统校准同自校准一样，也能完成倾斜因素计算，但所使用的电压值是由系统提供到A
18、IN端子的。整个系统校准过程两步进行：先零刻度校准，再满刻度校准。对于一个完整的系统校准，第一步应设置零点。先要设置好零刻度电压，并且在进行零刻度校准过程中要保持该电压稳定，此后再在设置寄存器中写入MD1 MD0=10，这时零刻度校准就立即开始，这个校准工作是在事先选定的增益下进行的。这是校准工作完成的早期提示。校准开始时，12脚DRDY为高电平，直到数据寄存器中出现一个新的有效数据（即16位数）后，才能变为低电平。零校准完成后，在7脚和8脚AIN端加入满刻度电压，同样要在整个校准期间保持稳定。再在设置寄存器中写入MD1 MD0=11，满刻度校准就立即开始，校准完成后MD1 MD0=00，接着
19、12脚DRDY变为低电平。在单极性模式下，系统校准是在传输函数的两端数值点上进行的；在双极性模式下，系统校准是在传输函数的中值点和正的满刻度值上进行的。系统校准分做两步进行提供了另一特点：整个校准工作完成后，系统的零参考点或增益校正都能自行调整，不会影响其他参数。当AD7705用于缓冲模式时，模拟输入端的信号源阻抗带来的任何误差，都可以通过系统校准去除掉。2.4 温度采样电路设计本设计是基于远距离温度的测量，为了克服传输过程中导线所产生的误差，本设计采用三线制传输方式，如图2.5所示。由PNP三极管和高精度电阻提供1mA电流，分别加在AD7705的模拟输入端7、8管脚，提供给PT100,使得俩
20、根导线产生的误差相抵消，输入的电压值精度提高。最后使送出的2mA通过第三根导线传送回来。此方法不仅可以消除引线电阻的影响，而且电路简单。图2.5 采样电路2.5 数码显示本设计的数码显示部分采用任婷婷同学的毕业设计，详见任婷婷毕业设计。本章是基于STC89C52单片机的硬件电路设计。首先对单片机的基本原理做一介绍，然后通过对AD转换电路部分进行设计，详细介绍AD7705基本功能和应用，数据采集电路，到数据处理后送出的全部硬件电路设计。第三章 软件设计 本设计通过调节滑动变阻器，模拟后的总热电势，通过线性化算法对模/数转换后的数据进行处理，使处理后单片机输出的数据与温度呈现对应关系。总体框图如图
21、3.1所示。 图3.1 程序流程图3.1 PT100线性化PT100的线性化处理，参考“最佳非等距离插值算法”推导出的Y=KX+B的线性化算法，该算法运算量小，程序中不进行查表，提高了程序的运行速度，使热电阻线性化处理速度得以提高。3.1.1 PT100分度表数据分析PT100分度表见附录1。本设计面向高温测量， PT100热电阻通常应用在对500左右的高温进行测量的场合，本线性化处理只对PT100的温度范围要求在0-800 。转换按照如下要求：热电势：100mV-375.5mV，对应0000HFFFFH，再将其转换为10进制数。温 度：0-800，对应 100mV-375.5mV。3.1.2
22、 线性化算法根据PT100分度表，分别算出对应温度的理想值、实际值、少读数、 。 理想值：表示理想数据，因满刻度即375.5mV对应FFFF=65536 理想值= 。 例250对应理想数=20480实际值：表示实际读数，即热电偶对应的mV数时的读数。 实际值=。 例250对应理想数=22377少读数：表示实际读数-理想读数。 例250对应少读数=22377-20480=1897：表示t少读数-左邻少读数。 例250少读数1897，240少读数1855，则=1897-1855=42线性化后的读数=读数+起始少读数 根据以上推论，可将分度表数据，分为12个段，并将10进制数转换为16进制数，在各分
23、段上经算法处理后数据进行分析，最后对误差比较大的段，通过统计数据对其修正，最后用汇编语言完成算法编写。3.2 线性化程序线性化算法涉及数据的运算，在编程方面，充分利用汇编语言的子函数，进行多次调用，完成数据的处理。线性化处理程序主要由选择分段程序和运算程序组成。选择分段程序，运用减法处理程序对16位二进制数进行处理，判断选择相应的段，再去运算程序进行处理。运算程序，主要是对16位数的加减法、乘法运算。程序流程图3.2所示。图3.2线性化程序流程图第四章 试验结果与分析线性化程序调试结果：给定的数据是从100mV到375.5mV中任意选出的点，经AD7705转换后的数据，将该数据写人线性化程序中
24、，应用查表，经线性化处理后得出一组数据，通过串口调试助手，将该组数据显示在计算机上，该数据为线性化处理后的数据。 给定的数据如下：00H,00H,03H,A0H,07H,3DH,0AH,D8H,0EH,71H,12H,07H,15H,98H,19H,27H,1CH,B4H,20H,3EH,23H,C6H,27H,4CH,2AH,CCH,2EH,4BH,31H,C9H,35H,40H,38H,B8H,3CH,2DH,3FH,9DH,43H,0DH,46H,78H,49H,E1H,4DH,4BH,50H,ACH,54H,0CH,57H,69H,5AH,C6H,5EH,1EH,61H,74H,64H
25、,C5H,68H,16H,6BH,63H,6EH,AFH,71H,F7H,75H,3CH,78H,7DH,7BH,BDH,7EH,F9H,82H,35H,85H,6CH,88H,A1H,8BH,D3H,87H,00H,92H,2EH,95H,57H,98H,7DH,9BH,A1H,9EH,C3H,A1H,E2H,A4H,FDH,A8H,17H,ABH,2DH,AEH,40H,01H,51H,B4H,5DH,B7H,69H,BAH,71H,BDH,78H,C0H,7BH,C3H,7BH,C6H,77H,C9H,72H,CCH,69H,CFH,60H,D2H,52H,D5H,42H,D8H,2FH
26、,DBH,18H,DEH,00H,E0H,E4H,E3H,C5H,E6H,A5H,E9H,81H,ECH,5BH,EFH,25H,F2H,06H,F4H,D7H,F7H,A6H,FAH,72H,FDH,39H,FFH,FFH 经过线性化处理后数据如下：00 00 03 39 06 71 09 A6 0C DA 10 0B 13 37 16 62 19 A7 1C CE 1F ED 23 2D 26 67 29 A0 2C D8 30 0A 33 3C 36 6C 39 97 3C C2 3F F5 43 32 46 70 49 A6 4C DB 50 0D 53 3F 56 6C 59 97
27、5C BE 5F EC 63 2B 66 68 69 A1 6C D8 70 0B 73 3C 76 6A 79 97 7C CE 7F EE 83 2E 7E 62 89 A6 8C DD 90 11 93 43 96 74 99 A1 9C CA A0 09 A3 41 A6 76 A9 A9 AC D7 B0 04 B3 2E B6 56 B9 A7 BC DD C0 0E C3 3E C6 6B C9 97 CC BD CF F6 D3 31 D6 68 D9 9E DC CF E0 0E E3 36 E6 59 E9 98 EC C5 F0 0C F3 41 F6 74 F9 A3
28、FC CC FF F5经过分析，该线性化处理可使线性化精度达到1以内。结 论本论文详细的研究了AD7705和单片机在仪器仪表中的应用，通过对系统中采样电路，模/数转换电路，控制电路，PT100分度表数据的研究，最终通过数码管显示出来。论文对采样电路和AD7705进行了详细的分析，最后选择用AD7705的系统校准和“最佳非等距离分段”的线性化算法。主要使用STC89C52单片机完成线性化处理和系统控制，实现A/D转换控制。由于时间的仓促，本论文还有些不足之处，如热电势采用电位器调节产生，电位器精度问题，基准电压不稳定，使AD7705输出不稳定性；采样电路中加入稳压管285可以使产生的1mA电流更
29、准确。另外，可以由PT100分度引申到其它分度的线性化，这些需要在以后的工作中完成。参考文献:李广第,朱月秀,冷祖祁.单片机基础【M】.北京:北京航空航天大学出版社.2007.郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用【M】.西安:西安电子科技大学出版社.2008.Analog Devices,Inc.AD7705,Data Sheet.周琳勃.热电偶K分度线性化【D】.西安:西安外事学院.2008.杨拴科著.模拟电子技术基础【M】.北京:高等教育出版社.2003杨帮文编.新编传感器实用宝典【M】.北京:机械工业出版社.2005何立民主编.单片机高级教程【M】.北京:北京航空航天大学出版社.2
30、001附录:PT100分度表01020304050607080900100mV103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.07130.89134.70100138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16200175.84179.52183.17186.82190.45194.07197.69201.29204.88208.45300212.02215.57219.12222.65226.17229.67233.17236.65240.13243.59400247.04250.48253.90257.32260.72264.11267.49270.86274.22277.56500280.90284.22287.53290.83294.11297.39300.65303.91307.15310.38600313.59316.80319.99323.18326.35329.51332.66335.79338.92342.03700345.13348.22351.30354.37357.37360.47363.50366.52369.53372.52800375.51378.48381.45384.40387.34390.26
