智能温度检测仪

智能仪器原理及应用 院 ___________________ 二O—六年十一月九号

一、设计要求 仁仁题目任务要求 选用温度传感器PT100,恒流源电路、放大电路、A/D转换电路与数码管，釆 用MCS-51系列单片机实现温度信号得采集、处理与显示。

1、2、设计具体功能要求

三线制PT100及恒流源驱动电路设计； 放大与比较电路设计，实现-10° C"+W0° C转换为（r+5V电压输出; ADC芯片得选取及与单片机接口设计；

多位数码管动态显示设计； 编写数据处理程序与标度变换程序。

题目 :智能温度检测仪

2016-2017学年第一学期 成绩:

2、 3、 4二、设计题目介绍及分析 温度就是自然界中与人类打交道最多得物理参数之一，无论就是在生产实验 场所，还就是在居住休闲场所，温度得采集或控制都十分频緊与重要，而且，网络 化远程采集温度并报警就是现代科技发展得一个必然趋势。由于温度不管就是 从物理量本身还就是在实际人们得生活中都有着密切得关系，所以温传感器就会 相应产生。传感器主要用于测量与控制系统，它得性能好坏直接影响系统得性能。 温度传感器从使用得角度大致可分为接触式与非接触式两大类，前者就是让温度 传感器直接与待测物体接触，而＞&者就是使温度传感器与待测物体离开一定得距 离，检测从待测物体放射出得红外线，达到测温得目得。 由于PT100热电阻得温度与阻值变化关系，人们便利用它得这一特性，发明并 生产了 PTIOO热电阻温度传感器。它就是集温度湿度釆集于一体得智能传感器。 温度得采集范围可以在-2009〜+2009,湿度采集范围就是0%〜W0%。pUOO温 度传感器就是一种将温度变量转换为可传送得标准化输出信号得仪表。主要用于 工业过程温度参数得测量与控制。带传感器得变送器通常由两部分组成：传感器 与信号转换器。传感器主要就是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、 信号处理与转换单元组成（由于工业用热电阻与热电偶分度表就是标准化得，因 此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些 还具有现场总线功能。此次我们利用MCS-51系列单片机结合温度传感器技术设 计这一智能温度检测仪。实现TO。C”+W0° C温度范围内得温度检测。

三、设计方案论证 智能温度检测仪得设计，包括硬件与软件得设计。具体包括：三线制PT100 及恒流源驱动电路设计、放大与比较电路设计，实现-10° C“+100° C转换为 0“+5V电压输出、ADC芯片得选取及与单片机接口设计、多位数码管动态显示设 计、编写驱动程序、编写数据处理程序与标度变换程序。在本设计中，就是以电 阻PT100作为温度传感器，釆用恒流测温得方法，通过单片机进行控制，用放 大器、A/D转换器进行温度信号得采集。 本设计系统主要包括温度信号采集单元、单片机数据处理单元、温度显示单元。 系统得总结构框图如图3-1所示。 恒普电路 图3T系统总结构框图 四. 具体硬件设计说明 4. 1三线制PT100及恒流源驱动电路设计

对于热电阻得测量电路我们釆用三线式得测量电路等，三线制PT100中，电阻 一端就是一根连线，另外两端接2跟连线，三根线得电阻值相等。在桥式电路中引 用了恒流源，如图4-1所示。

图4-1三线制PT100及恒流源驱动电路 图4-1中，差分电压只与PT100得阻值有关，所以，只需通过减法电路，得到V1 与V2得差值，再通过放大电路,就可以输入到A/D转换器中。 4、2放大电路与比较电路设计

PT1OO温度传感器就是一种以钳(Pt)做成得电阻式温度传感器，属于正电阻系 数，由于它

得电阻一温度关系得线性度非常好，如图4-3所示，瞧起来非常接近于 直线。因此在测量较小范围内其电阻与温度变化得关系式如下:R=Ro(1 + aT)

其中a=0, 00392, Ro为100O (在0°C得电阻值)，T为华氏温度。但就是对于 此次设计，这个精度显然不够。又找到了以下关系表达式子。 其电阻阻值与温度得关系可以近似用下式表示： 在0〜were范围内： Rt =Ro(1+At+BV)

在TO〜0°C范围内： Rt =Ro (1 +At+Bt'+C (t-100) t^) 式中A、B、C为常数， A二3、96847X10^-3; B二-5、847X10^-7; 0-4、22X10"-12： 所以这次设计得最高电阻值约为 R„=RO (1+At+Bt^)

IK 图4-2差分放大电路 此放大电路可以实现T(TCTOCrC转化为0-5v 得电压输出，如图4-2所示，釆用得为差分放大电 路。

4、3 ADC芯片得选取及与单片机接口设计

R( ■C

T/'CH

600 - SOO 400 300 ■ 200 - 100 0 -100

-200

4=Ci T3 Z

200 (Q)

图4-3 PDOO电阻-温度变化图

VVx =100(1+3. 96847X10"-3*100+-5. 847X10^-7*100*100) 8139、1 Q 最低电阻值约为 RL二R0 (1+At+BV+C (t-IOO)V) =100(1+3、96847X10"-3*-10+-5, 847X 10"-7*-10*-10+-4. 22X10^-12) 896、030 约跨度 RH -RL二43、070 其中跨温＞1110 9,采样精度1也就意味着差不多110个采样点，每个采样点 平均分摊0、392Q得电阻。

通过查阅PTIOO得使用说明得知,PT100得工作电流理应不超过ImA,所以两端 电压值得变化量需要被检测出来得最大分辨率应该就是： 1mA*0. 3920=0. 392mV PT100两端得电压值得取值范围大概为0、096厂0、139V 110个采样点需要7位二进制来表示，所以AD转换器需要分辨率7位以上，这 里釆用8位得ADC0809芯片： ADC0809就是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微处理机兼容得控制 逻辑得

CMOS组件。它就是逐次逼近式A/D转换器，可以与单片机直接接口⑴=

(1)ADC0809得内部逻辑结构

由图2-9可知,ADC()8()9由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D转换器与一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换 完得数字量，当0E端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完得数据。

⑵引脚说明ST CLK EOC a 4-5 ADC0809 引脚 S IN0-IN7:8条模拟量输入通,ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范 围就是

0-5V,若信号太小，必须进行放大；输入得模拟量在转换过程中应该保持 不变，如若模拟量变

化太快，则需在输入前增加釆样保持电路。 地址输入与控制线:ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电 平时,地址锁存与译码器将A、B与C三条地址线得地址信号进行锁存，经译码后 被选中得通道得模拟量进转换器进行转换。A、B与C为地址输入线，用于选通INO -IN7±得一路模拟量输入。通道地址表如下表4-6所示。 C B A 选择得通道

0 0 0 INO

0 0 1 IN1

V? 26 IX-0 asb-i-1

27

28 IN-1

IX-2 zADC0809

IX-4 15-5 15-6 IN-? 16 12 ref(-)

ref(-)

20 19 18 8 ：5 14 ♦ T « 1

7 25 54 23

22 孑 € 10

A B C ALE

图4-4 ADC0809得内部逻辑结构

INO INI IN2 】N3

IN4 INS IN6 IN7

8路

摸拟

a开

关 三

态输出锁存黯

DO DI D2 D3 D4 D5 06 D7

lsb2-a EOC

ALE ADD-A ADD-B IDD-C

ENABLE START CLOCK

21 2 3 4 6 7 2 2 2

2 2 2