智能仪器 温度测量..

《智能仪器》实验报告

实验项目温度测量

实验时间

同组同学

班级11111

学号1111111

姓名11111

2014年4月

实验二温度测量

一、实验目的

了解常用的集成温度传感器（AD590）基本原理、性能；掌握测温方法以及数据采集和线性标度变换程序的编程方法。

二、实验仪器

智能调节仪、PT100、AD590、温度源、温度传感器模块，传感器实验箱（一）；“SMP-201 8051模块”、“SMP-204 块块模块”、“SMP-101 8位A/D模块”、“SMP-401 块块块示模块”。三、实验原理

集成温度传感器AD590是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量。温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极-发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管U b电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。本实验仪采用电流输出型集成温度传感器AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性。AD590的灵敏度（标定系数）为1 A/K，只需要一种＋4V～＋30V电源（本实验仪用+5V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2=100Ω）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。电流输出型比电压输出型的测量精度更高。

在实验一的基础上进行电压测量、标定、线性变换，最后显示出对应温度。

图2-1 温度传感器模块原理图

四、实验内容与步骤

1．参考“附录实验PT100温度控制实验”，将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入集成温度传感器AD590。

2．将±15V直流稳压电源接至实验箱(一)上，温度传感器实验模块的输出Uo2接实验台

上直流电压表。

3．按图2-1接线，并将AD590引线的红色端接“温度传感器模块”的a1，蓝色端接“温度传感器模块”的b1，并从实验台上接+5V 电源到a1端。调节RW2大约在中间位置，用实验台上“直流电压表”的20V 档测量“温度传感器模块”的“Uo2”端，再调节电位器Rw1使直流电压表显示为零。

5．按照图将信号引到差动放大器的输入Ui ，记下模块输出Uo2的电压值。

6．升高温度源的温度每隔50C 记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C 。并将实验结果填入表2-1。

7.按照实验1的1-5步骤搭建单片机AD 转换电路，将模块输出电压Uo2接入到“SMP-101 8位AD 块块模块”的CH0；

8.编写数据采集程序及标度变换程序，并进行调试，检验程序的测量结果是否与温度源给定的温度一致。（数据采集程序及硬件电路参考“实验一”的结果，线性标度变换公式参考教材中的“标度变换”一节）

五、实验报告

1．由记录的数据数据计算在此范围内整个测温系统的灵敏度，并画出标定出的拟合直线。（端基法）

表2-1 温度与输出电压关系

T Uo2V （℃（））38

4552596673801.387 1.419 1.45 1.483 1.515 1.548 1.581

T （℃） 38

45

52

59

66

73

80

87

94

101

108

115

Uo2（V ）

1.387 1.419 1.450 1.483 1.515 1.548 1.581 1.612 1.645 1.678 1.710 1.742

2．由表2-1记录的数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。

K=(1.742-1.387)/(115-38)=0.0046

所以y=0.0046*x+1.2122

V1=0

V2=0.0002

V3=0.0014

V4=0.0006

V5=0.0008

V6=0

V7=0.0080

V8=0.0004

V9=0.0016

V10=0.0012

V11=0.0010

V12=0

所以最大误差为：0.0016

非线性误差=0.0016/1.742*100%=0.09% 3．画出程序流程图。

开始

初始化AD转换器

结束

4．用c语言编制实验程序。

主程序：

#include // SFR declarations

#include

#include "Delay.h"

#include "AD774.h"

//-----------------------------------------------------------------------------

// 16-bit SFR Definitions for 'F02x

//-----------------------------------------------------------------------------

sfr16 DP = 0x82; // data pointer

sfr16 TMR3RL = 0x92; // Timer3 reload value

sfr16 TMR3 = 0x94; // Timer3 counter

sfr16 ADC0 = 0xbe; // ADC0 data

sfr16 ADC0GT = 0xc4; // ADC0 greater than window

sfr16 ADC0LT = 0xc6; // ADC0 less than window

sfr16 RCAP2 = 0xca; // Timer2 capture/reload

sfr16 T2 = 0xcc; // Timer2

sfr16 RCAP4 = 0xe4; / Timer4 capture/reload

sfr16 T4 = 0xf4; // Timer4

sfr16 DAC0 = 0xd2; // DAC0 data

sfr16 DAC1 = 0xd5; // DAC1 data

//-----------------------------------------------------------------------------

// Global CONSTANTS

//-----------------------------------------------------------------------------

#define BAUDRATE 115200 // Baud rate of UART in bps

#define SYSCLK 22118400//11059200 // SYSCLK frequency in Hz

#define SAMPLE_RATE 50000 // Sample frequency in Hz #define INT_DEC 256 // integrate and decimate ratio

//sbit AD_BUSY = P3^5;

sbit AD_BUSY = P1^6;

//-----------------------------------------------------------------------------

// Function PROTOTYPES

//-----------------------------------------------------------------------------

void SYSCLK_Init (void);

void PORT_Init (void);

//-----------------------------------------------------------------------------

// Global V ARIABLES

//-----------------------------------------------------------------------------

long result; // ADC0 decimated value

//-----------------------------------------------------------------------------

// MAIN Routine

//-----------------------------------------------------------------------------

void main (void)

{

unsigned char high8,low4;

unsigned char HIGH4,LOW8;

unsigned char i=0;

unsigned char add=0;

unsigned char j=0; // temperature WDTCN = 0xde; // disable watchdog timer WDTCN = 0xad;

SYSCLK_Init (); // initialize oscillator

PORT_Init (); // initialize crossbar and GPIO

// sample rate

HIGH4 = 0x00;

LOW8 = 0x00;

AD_BUSY = 1;

//选择并设置多路开关的通道为第1 号通道

SET_PGA(0x00); //选择并设置程控放大器的放大倍数为1

while(1)

{

SET_PLUS(0x00+2*0x20);

AD_START(); //启动AD转换

while(AD_BUSY); //等AD转换完

if(!AD_BUSY) //若转换完，则读转换后的数字量

{

high8 = RD_ADDA TA_H8(); //读高8位（D7~D4D11~D8）

low4 = RD_ADDATA_L4(); //读低4位（D3~D0）}

HIGH4 = high8 & 0x0f; // （0000D11~D8）-> HIGH4

LOW8 = (high8 & 0xf0)|(low4 & 0x0f);//（D7~D4D3~D0）-> LOW8

//P2 = HIGH4;

//P3 = LOW8;

result=HIGH4*256+LOW8;

result=HIGH4*256+LOW8;

Delay_ms(255);

}

}

}

//-----------------------------------------------------------------------------

// Initialization Subroutines

//-----------------------------------------------------------------------------

//-----------------------------------------------------------------------------

// SYSCLK_Init

//-----------------------------------------------------------------------------

//

// This routine initializes the system clock to use an 22.1184MHz crystal

// as its clock source.

void SYSCLK_Init (void)

{

int i; // delay counter

OSCXCN = 0x67; // start external oscillator with

// 22.1184MHz crystal

for (i=0; i < 256; i++) ; // XTLVLD blanking interval (>1ms)

while (!(OSCXCN & 0x80)) ; // Wait for crystal osc. to settle

OSCICN = 0x88; // select external oscillator as SYSCLK

// source and enable missing clock

// detector

}

//-----------------------------------------------------------------------------

// PORT_Init

//-----------------------------------------------------------------------------

//

// Configure the Crossbar and GPIO ports

//

void PORT_Init (void)

{

XBR0 = 0x04; // Enable UART0

XBR1 = 0x00;

XBR2 = 0x40; // Enable crossbar and weak pull-ups

P1MDOUT = 0xff; // enable P1.6 (LED) as push-pull output P2MDOUT = 0xff; // enable P1.6 (LED) as push-pull output P3MDOUT = 0xff; // enable P1.6 (LED) as push-pull output P74OUT = 0xff; //设置P4-P7口输出

EMI0CF=0x2f; //外部存储器接口

EMI0TC=0x9e; //外部存储器时序控制

延时程序：

#include "c8051F020.h"

#include

#include "delay.h"

/****************************************************************************** ******/

/****************************************************************************** *****

* 函数名称：Delay_us;

*

* 函数功能描述：延时n微秒子函数;

*

* 输入参数：延时时间（单位微秒）;

*

* 返回数据：none；

*

* 注意：none;

******************************************************************************* *****/

void Delay_us(unsigned char Times)

{

unsigned char i;

for (i=0; i

{

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();

}

}

/****************************************************************************** *****

* 函数名称：Delay_us;

*

* 函数功能描述：延时n毫秒子函数;

*

* 输入参数：延时时间（单位毫秒）;

*

* 返回数据：none；

*

* 注意：none;

******************************************************************************* *****/

void Delay_ms(unsigned char Times)

{

unsigned char i;

for (i=0; i

{

Delay_us(250);

Delay_us(250);

Delay_us(250);

Delay_us(250);

}

}

/****************************************************************************** *****

* 函数名称：Delay_us;

*

* 函数功能描述：延时n秒子函数;

*

* 输入参数：延时时间（单位秒）;

*

* 返回数据：none；

*

* 注意：none;

******************************************************************************* *****/

void Delay_s(unsigned char Times)

{

unsigned char i;

for (i=0; i

{ Delay_ms(250);

Delay_ms(250);

Delay_ms(250);

Delay_ms(250);

}

}

附加程序：

#include // SFR declarations

//=========================================================

//========================================================= #define PLUS_ADDR 0x8c00

#define PGA_ADDR 0x8b00

#define AD_START_ADDR 0x8d00

#define RD_H8_DATA_ADDR 0x8e00

#define RD_L4_DA TA_ADDR 0x8f00

unsigned char xdata *PLUS_POINT = (unsigned char *)PLUS_ADDR; unsigned char xdata *PGA_POINT = (unsigned char *)PGA_ADDR;

unsigned char xdata *AD_POINT = (unsigned char *)AD_START_ADDR; unsigned char xdata *RD_H8_POINT = (unsigned char *)RD_H8_DATA_ADDR; unsigned char xdata *RD_L4_POINT = (unsigned char *)RD_L4_DATA_ADDR;

//=========================================================

//========================================================= //入口参数：一个多路开关参数

//出口参数：无

//功能：根据所给的开关参数打开相应的开关

void SET_PLUS(unsigned char i)

{

*PLUS_POINT = i;

}

//=========================================================

//========================================================= //入口参数：一个增益参数

//出口参数：无

//功能：根据所给的增益参数设置相应的放大倍数

void SET_PGA(unsigned char i)

{

*PGA_POINT = i;

}

//=========================================================

//========================================================= //入口参数：无

//出口参数：无

//功能：启动AD转换

void AD_START(void)

{

*AD_POINT = 0x00;

}

//=========================================================

//========================================================= //入口参数：无

//出口参数：AD转换结果的高8位数

//功能：读AD转换结果的高8位数

unsigned char RD_ADDA TA_H8(void)

{

unsigned char i;

i = *RD_H8_POINT;

return(i);

}

//=========================================================

//========================================================= //入口参数：无

//出口参数：AD转换结果的低4位数

//功能：读AD转换结果的低4位数

unsigned char RD_ADDA TA_L4(void)

{

unsigned char i;

i = *RD_L4_POINT;

return(i);

}

5.调试结果分析

硬件连接图：

当显示的温度为115度时，此时电压表上显示的数值为1.742V ，而通过AD转换后受输出的result为3024.

根据上次实验可以算出3042所对应的电压值为2.42V，远远大于了电压表上显示的1.742V，所以说明误差特别大。

误差的可能来源：

误差来源：单片机延时程序中定时器的精度，取样电阻的精度，热敏电阻PT100 的精度而与单片机的输出电压值，门嵌电压值，电容精度无关。因此适当选取取样电阻的精度单片机的工作频率够高，测温精度就比较高。

传感器输出电压范围远小于ADC的输入范围。用于温度测量实验的ADC是8位精度采用5V基准电压。通常这就是输入电压范围。如果在温度测量范围内传感器对应的最大输出仅为 2.5V，则有效分辨率就下降为7位。采用12ADC模数

转换器，使得测量精度得到了极大的提高。

PT100的传递函数具有严重的非线性，因此在许多应用场合-由于需要测量的温度范围较大，非线性表现得非常突出，需要进行线性标度变换。

标度变换

仪器采集的数据并不等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数的大小，必须把它转换成带有量纲的数值后才能显示、打印输出和应用，这种转换就是工程量变换。

若被测量的范围为A0～Am，A0对应的数字量为N0，Am对应的数字量为Nm，Ax对应的数字量为Nx；实际测量值为Ax。假设包括传感器在内的整个数据采集系统是线性的，则标度变换公式为：

许多智能仪器所使用的传感器是非线性的。此时，一般先进行非线性校正，然后再进行标度变换。