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1、 现代仪器课程设计 智能化温度仪器设计Design of Intellecturalized Temperature Instrument所在学院 ：机械工程学院所在系所 ：测控技术与仪器系专业班级 ：测 控学生姓名 ： 学生学号 ：指导老师 ： 江苏大学测控技术与仪器系 2011-12-30智能化温度仪器设计Design of Intellecturalized Temperature Instrument任务指标： 实时测量现场温度，测温范围2050，测量精度0.5，仪器采用便携式结构，能显示测量温度，并有非线性补偿与滤波功能。摘要：本次课程设计采用铂电阻PT100作为传感器测量外界温度。
2、将铂电阻接入电桥测量现场温度，再经差动放大电路放大成05V的电压信号。然后通过ADC0809将采集到的模拟信号转变数字信号，再将数字信号送入AT89C52单片机通过编程实现非线性补偿与滤波功能，最后经LED显示器显示测量温度。 关键字：铂电阻，温度测量，实时显示。Abstract: This course is designed with a PT100 platinum resistance temperature sensor outside. Access to bridge the platinum resistance temperature measurement site, an
3、d then zoom through the differential amplifier circuit into a voltage signal 0 5V. Then will be collected ADC0809 analog signals into digital signals and then digital signal into the AT89C52 microcontroller programmed to non-linear compensation and filtering, and finally through the LED display show
4、s the temperature measurement. Keywords: platinum resistance, temperature measurement, real-time display.目 录目 录3引 言4一、总体设计方案51.1设计方案论证51.2方案的总体设计框图6二、元件选择与说明62.1温度传感器62.2 ADC0809模数转换器72.3 AT89C52单片机82.4 运算放大器92.5 LED数码显示管102.6 7805稳压管10三.单元电路设计113.1电源电路113.2 晶振电路113.3 上电复位电路123.4前端信号测量电路12四总体电路及相关说明
5、13五软件设计145.1系统软件设计说明145.2程序流程及清单15五课程设计心得体会19六参考文献19引 言随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。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
6、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，于是种类繁多的新型传感器及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。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。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，详细地讲述了利用热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
7、。本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数据处理与控制模块，温度显示模块五个部分。具体设计就是利用铂电阻的温度特性设计温度传感器，将铂电阻接入电桥电路，再经差动放大电路放大成05V的电压信号。采用ADC0809将电压信号转换成数字信号送入单片机AT89C52，单片机进行标度变换，输出相应的温度并送入四位八段数码显示管动态显示。此外，利用软件实现平均滤波和非线性补偿，以减小测量误差。一、 总体设计方案1.1设计方案论证根据铂电阻PT100的温度特性，将铂电阻接入电桥电路，再把电桥电路输出的微弱的电压信号送到前置放大电路处理，由A/D转换器把模拟电压信号转换成数字信号，并送入单片
8、机中。单片机接收到该测量数字信号后，调用存放在存储器中的程序对其进行各种智能化处理，如进行非线性补偿、平均滤波、各种进制的转换等，最后得出在允许误差范围内的测量温度值，并由4位LED显示器动态显示测得的温度值。根据原理，前端电路可以设计成一级放大、二级放大和三级放大。三、二级放大设计的方法可以将每一级的放大倍数设计成个位数，但是系统随着放大器个数的增加而不稳定。一级放大器设计方法输出稳定，设计简单，但是放大倍数比较大，可能导致放大饱和。最终通过搭电路试验确定，采用一级放大系统比较稳定。1.2方案的总体设计框图铂电阻温度测量电桥放大电路采样A/D转换电路单片机及外围电路LED显示电路二、元件选择
9、与说明2.1温度传感器温度传感器选用线性度较好的铂电阻PT100，将铂电阻接入电桥使用。铂电阻是将0.050.07的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成。它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro系温度为0时的电阻值。A3.9684103，B5.847107。热响应时间是在阶跃温度作用下，热电阻的输出变化值相当于阶跃变化的50时,所需的时间，用0.5来表示。下表列出了PT100铂电阻的温度和阻值对应关系温度0123456789（）电阻值（）2092.0491.6491.2490.8490.4490.0489.6489.2488.8488.44109
10、8.0395.6395.2394.8394.4394.0393.6393.2492.8492.440100.0099.6099.2198.8198.4198.0197.6297.2296.8296.420100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.5710103.96104.36104.75105.15105.54105.94106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.4630111.85112.25
11、112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.3940115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.3150119.70120.09120.48120.87121.26121.65122.04122.43122.82123.21 表12.2 ADC0809模数转换器本次设计采用的是ADC0809进行模数转换。ADC0809（图2）是八位逐次逼近式CMOS单片A/D转换器。以下介绍各引脚的功能：ADDA,ADDB,ADDC：地址选择信号。图2ALE：地址锁存允许信号，高电平有效，上
12、升沿将ADDA,ADDB,ADDC锁存，若ALE一直接高电平，则多路模拟开关中的某一路就成为直通方式，一直接通。START：启动转换信号，高电平有效，上升沿清除A/D转换电路中的逐次逼近寄存器，下降沿启动内部控制逻辑，开始转换。常将STAR与ALE短接，由同一脉冲信号进行控制。EOC：转换结束信号，START的下降沿启动转换后，经过一定的延迟，EOC由高变低，在转换结束时，再低变高。OE：输出允许信号，高电平有效时，使三态缓冲器脱离三态，将转换后的数字量送至外部数据总线（D0D7）。Vref+,Vref-：参考电压正端和副端，它们是内部八位A/D转换电路中电阻网络两端所需外加的参考电压端。D0
13、D7：外部数据输入总线，与CPU的数据总线相连。IN0IN7：模拟电压输入端，根据需要输入电压可以加到一路或若干路，也可以全加，但转换时每次只选择一路进行。CLOCK：时钟信号输入端Vcc：电源电压输入端，接+5V。GND：接地端。2.3 AT89C52单片机本次设计采用的单片机是 AT89C52（图3），其引脚功能如下所述。P0口:p0口是一组8位漏极开型双向I/O口。作为输出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。图3P1口
14、：P1是一个带内部上拉电阻的的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动四个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。P1.0和P1.1还可以分 别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。P2口：P2是一个带内部上拉电阻的的8位双向I/O口，P2的输入缓冲级可驱动四个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。在访问外部程序存储器或16位地址的数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口送出P2锁存器的内容。P3口：P3口是一组带有
15、拉电阻的8位双向I/O口。P2的输入缓冲级可驱动四个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。Vcc为电源正端，Vss为接地。Vcc接典型值5VRST：复位引脚，输入高电平使89C52复位，返回低电平退出复位。/VP:运行方式时，为程序存储器选择信号，接地时CPU总是从外部存储器中取指令，接高电平时CPU可以从内部或外部取指令；flash编程方式时，该引脚为编程电源输入端VP（+5V或12V）。：外部程序存储器读选通信号，CPU从外部存储器取指令时，从引脚输出读选通信号（负脉冲）。：运行方式时，ALE为外部存储器低八位地址锁存信号，flash编程方
16、式时，该引脚为编程脉冲输入端。X1，X2：内部振荡器电路（反相放大器）的输入端和输出端，外接晶振电路。P0，P1，P2：八位输入输出口。RXD，TXD：串口输入输出。，：外部中断0，1的输入线。T0，T1：定时器T0，T1外部计数脉冲输入线。，：外部数据存储器写，读脉冲输出线。2.4 运算放大器图4本次设计采用的运算放大器是LM324N。LM324N为四运放集成电路（图4），采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324N工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它的内部包含
17、四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。2.5 LED数码显示管设计选用七段LED数码管（图6），这种数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点。这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有L
18、ED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）。设计采用共阳极数码管，如图7所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。 图5 图6 图7 实际的数码管的引脚排列.对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为110脚，左上角那个脚便是10脚了，上面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应。3脚和8脚是连通的，这两个都是公共脚。2.6 7805稳
19、压管图8 7805稳压管7805因为设计的单元电路需要稳定的5V电压作为电源，所以选用三端稳压集成电路7805（图8），以便输出需要的电压。7805这种三端稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92 封装。用 78/79系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠 、方便，而且价格便宜，所以电子制作中经常采用。三.单元电路设计3.1电源电路根据芯片资料，稳压管7805输入输出与地之间应当接0.33微法和0.11皮法的电容，但由于器
20、件的限制，实际电路中直接用9V电池的正极作为稳压管7805的输入，电池负极接地，实测输出电压为5.01V，符合要求。实际的电源电路如图9所示。 图9 3.2 晶振电路图10AT89C52等COMS型单片机内部有一个可控的反相器，引脚XTAL1,XTAL2为反相放大器的输入端和输出端，在XTAL1,XTAL2上外接晶振和电容便组成振荡器。设计时电容C1,C2选用27皮法。振荡器的频率主要取决于晶振的频率，设计选用的晶振频率为12MHz。晶振电路如图10所示。3.3 上电复位电路在RST引脚上输入2个机器周期以上的高电平，机器便进入复位状态，此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3输出高电平，
21、RST上输入返回低电平以后，便退出复位状态开始工作。上电复位电路如图11所示。 图11 3.4前端信号测量电路Ub电桥电路如图12所示。其中R9、R10为1千欧的电阻。Rt1为PT100铂电阻温度传感器，传感器在100摄氏度时的理论接入阻值为92.16欧，实际电路的R3的接入阻值为90欧。RT即为铂电阻PT100，其电阻值随温度的变化而变化，具体见铂电阻分度表。电桥输出电压U。的表达式如下：Uo=5/(Rpt/(1000+Rpt)-92/1092)此需要将电桥电路输出的电压通过差动放大电路放大到或接近5V。通过计算差动放大电路需要放大约30倍。经运放放大后输出电压Uo的表达式如下：Uo=150
22、/(Rpt/(1000+Rpt)-92/1092)图12四总体电路及相关说明本设计是采用AT89C52单片机作为主控电路，其中P0口为A/D转换器的通信端口，P0口接数码管的段码，P2口接数码管的片选端，用于对数码管进行片选。如图13所示。 图14图2-9 单片机控制电路五软件设计5.1系统软件设计说明进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件设计更为重要。在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变
23、换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。软件设计主要是对温度进行采集、显示,因此，整个软件可分为温度采集子程序、显示子程序、及系统主程序。5.2程序流程及清单主程序开始初始化程序调用求平均值子程序判断A/D转换完成调用数值转换程序调用显示子程序结束#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table=0x0c0,0x0f9,0x0a4,0x0b0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x0bf;uchar disp4; /定
24、义数组变量sbit ST=P30; /定义START引脚sbit OE=P31; /定义OE引脚sbit EOC=P32; /定义EOC引脚sbit p17=P17; /定义数码管小数点int getdata,temp;void delay(uint z);void display();void main()/A/D启动转换程序：while(1) OE=0; /刚开始禁止将转换结果输出ST=0;ST=1；ST=0; /启动AD转换开始while(EOC=0); /等待转换结束 OE=1; /允许转换结果输出/平均值滤波程序：void average（） for(i=0;i8;i+)初始化设置八
25、个数求和求平均值开始返回sum=0；sum=sum+P0;sum=sum/8; getdata=sum; /将转换结果赋值给变量getdatasum=0； delay(1); OE=0; /禁止转换结果输出/数据转换程序： temp=getdata*1.0/255*500; /将得到的数据进行处理 if(temp0;x-)for(y=110;y0;y-);/显示程序：显示符号位及延时显示个位数及延时显示小数位及延时开始显示十位数及延时返回void display() /将显示结果在数码管中显示 P2=0x07;P1=tabledisp0;delay(1);P2=0x0B;P1=tabledis
26、p1;p17=0;delay(1);P2=0x0D;P1=tabledisp2;delay(1);P2=0x0E;P1=tabledisp3;delay(1);五课程设计心得体会 通过本次温度测量系统的设计，我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深入的学习。在整个设计的过程中，本设计的重点和难点是：怎样将PT100热电阻的非电量信号转换为单片机单片机能识别的电量信号，其中的信号如何放大及放大倍数的确定等等。这次毕业设计历时两周，从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇
27、到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了时候可以请教同学或指导老师。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。通过本次毕业设计，我了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握单片机的开发应用和编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并在这种能力上得到了比较充分的锻炼。通过这次课程设计，我们对现代仪器的设计过程有了更为清晰的认识，尤其锻炼了我们的动手能力，解决实际困难的能力和团队合作能力。感谢给予我们宝贵意见的老师以及其两位研究生，他们耐心的指导使得我们能够顺利完成本次温度仪器的课程设计。除此以外，还要感谢齐心协力、配合默契的小组成员和给予我们帮助与支持的非小组成员的各位同学。六参考文献1张靖武，周灵彬，单片机原理，应用与PROTEUS电子工业出版社.20082吴飞青，丁晓，李林功，练斌单片机原理与应用实践指导机械工业出版社.20093秦志强C51单片机应用与C语言程序设计电子工业出版社.20104杨居义，杨晓琴，王益斌等，单片机课程设计指导，清华大学出版社.2009
