傳感器課程設(shè)計-數(shù)字溫度計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3</p><p>　　2.1 測溫電橋電路3</p><p>　　2.2 信號放大電路………...………………………………................

2、................6</p><p>　　2.3 AD轉(zhuǎn)換電路………………………………………..…………….....................7</p><p>　　2.4 控制電路………………………………………..………................................9</p><p>　　2.5 聲光報警電路………………

3、………………………………………………………10</p><p>　　2.6 顯示電路………………………………………………………………………………11</p><p>　　2.7 電源電路………………………………………………………………………………12</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 15</p><p>　　4 總結(jié)與展望

4、…………………………………………………………………………16</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………..……………………………..17</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　隨著以知識經(jīng)濟為特征的信息化時代的到來人們對儀器儀表的認(rèn)識更加深入，溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中

5、最普遍，最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫度的測量的要求也越來越高，而且測量的范圍也越來越廣，對溫度的檢測技術(shù)的要求也越來越高，因此，溫度測量及其測量技術(shù)的研究也是一個很重要的課題。</p><p>　　目前溫度計按測使用的溫度計種類繁多，應(yīng)用范圍也比較廣泛，大致可以包括以下幾種方法：</p><p>　　利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計</p><p>

6、;　　利用熱電效應(yīng)技術(shù)制成的溫度檢測元件</p><p>　　利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成的溫度計</p><p>　　利用熱輻射原理制成的高溫計</p><p>　　利用聲學(xué)原理進(jìn)行溫度測量</p><p>　　本系統(tǒng)的溫度測量采用的就是熱阻效應(yīng)。溫度測量模塊主要為溫度測量電橋，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，但該電壓很

7、小。將輸出的微弱電壓信號通過OP07放大，將放大后的信號輸入AD轉(zhuǎn)換芯片， 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。</p><p>　　系統(tǒng)硬件原理圖如圖1—1</p><p>　　圖1—1系統(tǒng)框圖 </p><p>　　系統(tǒng)硬件原理圖如圖1—1所示，由熱電阻傳感器測的外界溫度，經(jīng)過信號放大，然后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換，將原

8、有的模擬信號轉(zhuǎn)換為可以貝單片機識別和運算的數(shù)字信號，然后在通過軟件編程通過顯示電路顯示出來當(dāng)前所測得的溫度。</p><p>　　它的各部分電路說明如下：</p><p><b>　?。?）.測溫模塊：</b></p><p>　　該部分電路主要使用測溫電橋，當(dāng)溫度變化時，電橋處于不平衡狀態(tài)，從而輸出不平衡電壓，為測溫的基礎(chǔ)。</p>

9、;<p>　　(2).信號處理部分：</p><p>　　該部分電路包括電壓信號的放大和AD轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模數(shù)變換，以及硬件濾波。</p><p>　　(3).單片機部分：</p><p>　　AT89C51 單片機系統(tǒng)是數(shù)字溫度計的核心部分，主要任務(wù)有：控制TLC2543，為其提供合適的時序，使其正常工作和采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，使用軟件濾除干擾，并對

10、數(shù)字信號進(jìn)行計算，然后輸出顯示。</p><p>　　(4).電源電路部分：</p><p>　　該部分電路負(fù)責(zé)將輸入的9V~12V直流電，分別轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的9V、5V、-9V直流電，給傳感器，放大電路，單片機，TLC2543等供電。</p><p>　　(5).顯示電路，聲光報警電路：</p><p>　　顯示電路的作用是將測量的溫度實時顯示

11、出來，當(dāng)測量溫度超過限定值時報警電路將發(fā)出聲光進(jìn)行報警。</p><p>　　2 數(shù)字溫度計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)由五大部分組成：（1）測溫電橋溫量電路；（2）數(shù)據(jù)采集，濾波，放大，AD轉(zhuǎn)換電路；（3）單片機AT89C51控制及數(shù)據(jù)計算電路；（4）電源電路；（5）溫度實時顯示電路和聲光報警電路。</p><p><b>　　2.1測溫電

12、橋電路</b></p><p>　　本次課程設(shè)計的測溫電路為測溫電橋，測溫電橋的主要部分是熱敏電阻。</p><p>　　熱敏電阻的主要特點是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體

13、積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。</p><p>　　本次設(shè)計采用的是正溫度系數(shù)的熱電阻PT100，它是最常用的溫度傳感器之一，與其他熱敏電阻相比，它的主要優(yōu)點是測量精度高（可精確到0.1攝氏度），線性度好，測量范圍廣（-200℃～650℃），性能穩(wěn)定，使用方便，完全滿

14、足設(shè)計要求，所以我最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。PT100溫度傳感器屬于正電阻系數(shù)，其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：</p><p>　　在0～650℃范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2)</p><p>　　在-200～0℃范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)</p><p>　　式中A、B、C 為常數(shù)，其

15、中</p><p>　　A=3.96847×10-3； B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12； 圖2-2 電阻溫度曲線圖</p><p>　　由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，電阻溫度曲線如圖2-2 所示，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT) &l

16、t;/p><p>　　其中α=0.00392, Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度。</p><p>　　Pt100是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。</p><p>　　測溫電路原理圖如下圖所示：</p><p&g

17、t;<b>　　圖3.2</b></p><p>　　如上圖所示，熱敏電阻RT和RA1，RB1，RC1，以及可變電阻R2組成一個測溫電橋，在溫度為20度時，調(diào)節(jié)R2使電橋達(dá)到平衡。當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出的不平衡電壓，經(jīng)過濾波后，輸入運算放大器，進(jìn)行放大處理。</p><p><b>　　電橋的分析：</b><

18、;/p><p><b>　　電橋原理圖：</b></p><p><b>　　電橋靈敏度的分析：</b></p><p>　　當(dāng)各橋臂發(fā)生微小變化時，電橋失去平衡，其輸出為：</p><p><b>　　2.2信號放大電路</b></p><p>　　本次課

19、程設(shè)計，放大模塊采用的是OP07放大集成電路。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A 最大為25μV ，所以 OP07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA） 和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信

20、號等方面。 </p><p>　　OP07具有以下特點： </p><p>　　超低偏移： 150μV最大 。 </p><p>　　低輸入偏置電流： 1.8nA 。 </p><p>　　低失調(diào)電壓漂移： 0.5μV/℃ 。 </p><p>　　超穩(wěn)定，時間： 2μV/month 最大 </p>&l

21、t;p>　　高電源電壓范圍： ±3V至±22V</p><p>　　OP07的引腳分布如下圖所示：</p><p>　　OP07芯片引腳功能說明： </p><p>　　1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+。</p><p>　　OP07放大電路的電路原理

22、圖如下所示：</p><p>　　如上圖所示，將測溫電橋的輸出用差分的方式輸入OP07，放大60倍以獲得合適的AD輸入電壓。</p><p>　　2.3 AD轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　此次課程設(shè)計的AD轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé)將放大后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為可供單片機識別的數(shù)字信號。主要采用TLC2543. TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近

23、技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。2TLC2543的特點：</p><p>　?。?）12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；（2）在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時間；（3）11個模擬輸入通道；（4）3路內(nèi)置自測試方式；（5）采樣率為66kbps；（6）線性誤差±1LSBmax；（7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC

24、；（8）具有單、雙極性輸出；（9）可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；（10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。</p><p>　　TLC2543的引腳分布如下圖所示：</p><p><b>　　引腳說明</b></p><p><b>　?。?）電源引腳</b></p><p>　　Vcc ,20腳:正電源

25、端,一般接+5V。GND,10腳:地。</p><p>　　REF+,14腳:正基準(zhǔn)電壓端,一般接+5V。</p><p>　　REF-,13腳:負(fù)基準(zhǔn)電壓端,一般接地。</p><p><b>　　(2)控制引腳</b></p><p>　　CS,15腳:片選端,由高到低有效,由外部輸入。</p><

26、;p>　　EOC,19腳:轉(zhuǎn)換結(jié)束端,向外部輸出。</p><p>　　I/O CLOCK,18腳:控制輸入輸出的時鐘,由外部輸入。</p><p><b>　　(3)模擬輸入引腳</b></p><p>　　AIN0～AIN10 ,1～9腳、11～12腳:11路模擬輸入端,輸入電壓范圍:0.3V～Vcc+0.3V。</p>

27、<p>　　(4)控制字輸入引腳</p><p>　　DATA TN PUT,17腳:控制字輸入端,選擇通道及輸出數(shù)據(jù)格式的控制字由此輸入。</p><p>　　(5)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出引腳</p><p>　　DATA OUT ,16腳:A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的3態(tài)串行輸出端。</p><p>　　TLC2543在本設(shè)計的電路原理圖如

28、下所示：</p><p><b>　　2.4 控制電路</b></p><p>　　AT89C51單片機最小系統(tǒng)由AT89C51單片機及其外圍電路組成，是數(shù)字溫度計系統(tǒng)的核心。</p><p>　　AT89C51單片機在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性好，支持在線編程ISP，無需專用的編程器，方便調(diào)試.AT89C51單片機對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高靈活有

29、效的解決方案。它的作用是控制TLC2543進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、形成必要的時序、進(jìn)行數(shù)據(jù)計算以及控制數(shù)碼管顯示。AT89C51單片機各個引腳分布如圖所示：</p><p>　　圖1 圖2</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　圖1為單片機的晶振電路，圖2為單片機

30、的復(fù)位電路，圖3為單片機的引腳分布及各引腳的接口，單片機采用5V供電。D1為單片機上電電源指示燈，P2.7為報警指示燈的接口，P2.6為報警蜂鳴器的接口，P0.0-P0.7為74HC373的8位數(shù)據(jù)接口，X1，X2為晶振電路的接口，與晶振電路相連。P1.0-P1.3為TLC2543的控制端口，P2.0-P2.3為顯示數(shù)碼管的為位選控制端口，RST為單片機的復(fù)位端口，與復(fù)位電路相連。</p><p>　　2.5 聲

31、光報警電路</p><p>　　當(dāng)測量的溫度超過限定值時，聲光電路將進(jìn)行聲光報警，提醒操作人員及時進(jìn)行處理，避免系統(tǒng)長時間工作在高溫情況下，影響系統(tǒng)的性能和使用壽命。聲光報警電路由一個發(fā)紅色光LED燈和蜂鳴器構(gòu)成。</p><p>　　電路原理圖如下所示：</p><p><b>　　聲光報警電路</b></p><p>

32、;<b>　　2.6顯示電路</b></p><p>　　顯示電路由8位鎖存器74HC373，4個八段數(shù)碼管構(gòu)成，74HC373的8個輸出口分別與各個數(shù)碼的8個段選端口相連。經(jīng)過單片機P0輸出的8位數(shù)據(jù)，進(jìn)入74HC373中，先鎖存，再通過單片機的P2.0-P2.3口來選擇要顯示的位，即控制數(shù)碼管的位選，通過以上所述來達(dá)到實時顯示溫度的目的。</p><p>　　顯示

33、電路原理圖如下所示：</p><p>　　74HC373是八位D型鎖存器，其的邏輯圖和引腳排列圖如下：</p><p>　　由圖可見它是三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)，1引腳為輸出使能控制信號端，當(dāng)1引腳為低電平時，8個輸出三態(tài)門導(dǎo)通；當(dāng)其為高電平時，輸出三態(tài)門為高阻態(tài)。74HC373內(nèi)部集成有8位D型鎖存器，1D，2D，```````8D是8個數(shù)據(jù)輸入端，CP是鎖存控制信號。在輸出使能信號CS=0情況下，

34、若CP為高電平，輸出Q跟隨輸入數(shù)據(jù)D變化而變化，即D=0，Q=0，D=1，Q=1，若CP為低電平，輸出Q的狀態(tài)被鎖存在CP變0之前時刻各相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端的電平上，當(dāng)CS=1時，輸出雖然為高阻態(tài)，已有的鎖存數(shù)據(jù)仍然保留，新的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)入，因而輸出使能信號CS不影響內(nèi)部鎖存功能。</p><p><b>　　2.7電源電路</b></p><p>　　電源是整套系統(tǒng)工作的

35、基礎(chǔ)，要實現(xiàn)溫度的精確測量與顯示跟一個合適的穩(wěn)定的電源是密不可分的，由系統(tǒng)組成可知，系統(tǒng)要正常工作需要一個穩(wěn)定的+5V電源，用來給測溫電橋，單片機，顯示模塊，AD模塊供電，要實現(xiàn)信號的放大還需要給放大模塊提供穩(wěn)定的+9V ,-9V電源。</p><p>　　電源模塊的電路原理圖如下所示：</p><p>　　由原理圖可知，220V交流電經(jīng)過變壓，整流，濾波后分成兩個支路，一路經(jīng)過濾波后輸入

36、LM7809，另一路進(jìn)過濾波后輸入LM7909（C1、C7分別為7809和7909的輸入濾波電容），兩路的輸出經(jīng)過濾波（C2和C8分別為濾波電容），去高頻耦合（C5和C10為去耦電容）后分別提供+9V，-9V穩(wěn)定電壓，其中路經(jīng)LM7809的支路，輸出后又經(jīng)LM7805穩(wěn)壓輸出+5V電源，通過上述的電壓變化可以達(dá)到電路的需求。</p><p>　　常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ××系

37、列和負(fù)電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸

38、出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。</p><p>　　7805和7809的封裝與管腳圖如圖1所示，7909的封裝與管腳圖如圖2所示</p><p>　　圖1 圖2</p><p>　　在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)

39、穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。散熱片總是和接地腳相連。這樣在78**系列中，散熱片和②腳連接，而在79**系列中，散熱片卻和①腳連接。</p><p>　　78**系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間。</p><p>　　7909的參數(shù)如下圖所示：</p>

40、<p>　　3 數(shù)字溫度計系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　3.1軟件總體流程設(shè)計</p><p>　　軟件設(shè)計采用c語言編程，運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能模塊的程序進(jìn)行分別編程，以便移植或調(diào)用，這樣使軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，有利于軟件的調(diào)試修改。</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)程序構(gòu)建</b></p><

41、;p>　　數(shù)字溫度計系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計思想，將系統(tǒng)分為主程序、初始化處理模塊、中斷檢測模塊、延時處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊，其軟件系統(tǒng)的主程序?qū)崿F(xiàn)流程如下圖所示：</p><p><b>　　YES</b></p><p><b>　　NO</b></p><p><b>　　4 總結(jié)與展望&

42、lt;/b></p><p>　　數(shù)字溫度計是為了測溫而設(shè)計開發(fā)的。在單片機技術(shù)與熱敏電阻的巧妙結(jié)合下，可以有效測出溫度，并實時數(shù)字顯示，當(dāng)溫度超過限定值時會及時發(fā)出報警，提高了操作的安全性，同時為測量人員提供了方便。</p><p>　　本文設(shè)計應(yīng)用中，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作: </p><p>　　(1) 本文在前半部分詳細(xì)敘述了利用熱敏電阻，組成測溫

43、電橋的測溫的原理及為何選用PT100，使我更加了解本設(shè)計的設(shè)計目的及要求。</p><p>　　(2) 在了解熱阻效應(yīng)和PT100的工作原理的基礎(chǔ)上研究和分析了系統(tǒng)設(shè)計方案，并對系統(tǒng)中遇到的不同的場景進(jìn)行了分析；</p><p>　　(3) 完成了數(shù)字溫度計系統(tǒng)的硬件選型和電路設(shè)計；</p><p>　　(4) 完成了系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計；</p>&

44、lt;p>　　本文通過對數(shù)字溫度計系統(tǒng)的設(shè)計過程及計算得出如下結(jié)論:</p><p>　　本系統(tǒng)對有限溫度范圍內(nèi)的溫度測量具有較高的精度，實現(xiàn)了測量溫度顯示和超出限定溫度報警功能，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計要求；</p><p>　　本文關(guān)于數(shù)字溫度計的設(shè)計，雖然可以滿足廣大普通客戶的需求，也做了一些嘗試性的探索工作，但是還存在很多不完善的地方，仍有許多方面有待進(jìn)一步深入研究:&l

45、t;/p><p>　　(１) 需要對熱敏電阻的線性度和系統(tǒng)電路設(shè)計的可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的研究；</p><p>　　(２) 本文在系統(tǒng)的精度方面研究非常局限，并沒有做到非常精確，這就要求以后在這方面還有更近一步研究。</p><p>　　(３) 本次課程設(shè)計的數(shù)字溫度計的測量范圍具有很大的局限性，只是在理論上通過了，在實際電路中必將遇到很多問題，在硬件電路中如電源的穩(wěn)定輸