智能仪器课程设计--基于PT100温度传感器

智能仪器课程设计--基于PT100温度传感器 课程设计报告 课程名称: 智能仪器课程设计 题 目: 基于PT100温度传感器 1 摘要 本文首先简要介绍了铂电阻PT100的特性以及测温的方法，在此基础上阐述了基于PT100的温度测量系统设计。在本设计中，是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了液晶显示电路，能实现对温度的显示。 本文采用STC89C52单片机，LM324放大器，铂电阻PT100及液晶显示组成系统，编写了相应的软件程序,使其实现温度的显示。 关键字:Pt100热电阻 LM324运放 信号采集 A/D STC89C52 单片机 2 3 4 一、设计任务、要求 1.1任务 设计一个基于MCU的智能测控系统，利用STC89C52单片机，LM324放大器，铂电阻PT100及LCD1602具有温度显示的温度传感器。 1.2要求 系统必需含有信号放大，滤波，数据采集等功能模块，只允许采用模 拟量传感器，仿真信号低于100mV并符合实际情况 二、设计 整个控制系统可分为硬件电路设计和软件程序设计两大部分。可分别对它们进行分析设计。当确定好自己的方案后，就分模块进行软件和硬件的设计与调试。当个模块都调试完毕后，最后将所有模块组合在一起进行总调，直到达到理想的效果为止。 5 2.1方案总设计 该电阻温度检测系统由三部分组成:温度检测与处理，模数转换，温度显示。 2.2温度检测 电阻式温度计是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。当被测介质中有温度阶梯存在时，所测得温度是感温元件所在范围介质中的平均温度。尽管导体或半导体材料的电阻值对温度的变化都有一定的依赖关系，但适用于制作温度检测元件的并不多。 由电阻温度传感器检测的信号不稳定，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来我采用了放大器LM324进行信号放大及低通滤波，将噪声去除. 2.3模数转换 A/D转换器的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于单片机进行处理。电阻温度计将测量温度以电信号的形式传递给ADC0809(逐次比较型)，将电压信号转换成单片机可接收的数字信号。 6 三、硬件电路设计 本系统是由温度采集模块、A/D转换模块、及控制执行模块，显示模块等组成。采用用80C52单片机作为控制核心，1602LCD显示，ADC0809作为模数转换器，1个独立按键，以及温度控制模块。 3.1温度采集模块 3.1.1 PT100温度传感器 PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器，主要技术参数如下: ? 测量范围:-200?,+850?; ? A级 0.150.002t， B级 0.300.005t ? 响应时间,30s; ? 最小置入深度:热电阻的最小置入深度?200mm; ? 允通电流?5mA。 另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 在0,100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。 3.1.2 LM324放大 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性 7 来进行温度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器LM324的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量 LM324带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 下面是LM324的引脚图123脚是一组567脚是一组，8910脚是一组，12，13,14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7,8,14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。本实验用 123和567 8 3.2模数转换单元电路 ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8 位通用的A/D转换的芯片。 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 9 址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量送入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0,IN7上的一路模拟量输入。原理图如下: 3.3 LCD液晶显示电路 本设计采用是LCD1602液晶显示，主要通过液晶来显示温度，该模块把采集到的温度显示出来，生动形象反映系统工作状态。 10 3.4控制模块 基于STC89C52的最小系统控制如下 3.5报警模块 本设计采用软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过或低于所预设的温度值时，数据口相应拉高电平，报警输出。报警电路 11 四、软件设计 本设计采用C51高级语言编写，因为其提供了库函数包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力，关键字及控制转移方式更接近人的思维方式，且 本身并不依赖于机器硬件系统，移植方便。 程序主要由主程序和子程序两部分构成。 主程序主要实现系统的初始化， A/D转换，显示数据。 系统的初始化包括寄存器的初始化(控制寄存器、堆栈、中断寄存器等)，通信的初始化(串口的初始化，ADC0809的初始化，通信缓冲区的初始化)，LCD显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。 显示数据包括数据转换(主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成LCD显示所需的数据类型)和显示屏的刷新 子程序主要由温度信号采集程序组成。 程序流程图如下: 12 五、仿真与调试 5.1 Keil uVision4软件调试 软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的 13 语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。 本设计用到了Keil uVision4软件，首先打开Keil uVision4，将程序输入;然后进行调试，将程序中的语法错误和逻辑错误纠正，调试完毕后，创建HEX文件，HEX文件用于烧写芯片，将制定程序写入已设计好的电路板中，使其能根据我们的要求实现相应的功能;最后将HEX文件烧写入STC89C52芯片，运行电路。 5.2 Proteus仿真 首先将电路图根据设计要求在软件中准确地画出，即进行ISIS原理图设计，我们的仿真也是完全基于ISIS原理图模块下进行的，在本设计中我们用到的是交互式仿真，用于校验所设计的电路是否能正常运行，然后将Keil uVision4生成的HEX文件链接到该中原理图，即设计文档的建立。文档建立好之后， 按OK执行程序。下面是仿真图: 14 5.3 Altium Designer原理图 15 5.4 PCB原理图 16 5.5 实物图 六、设计总结与体会 在本次课程设计中，通过对测控电路、传感器和单片机的综合运用， 17 查阅资料，上网搜集信息顺利完成了预期的任务。测控电路是测量与控制相结合的课程，需要用到各方面综合的知识，这也是本学期开设这门课程的目的。在设计过程中，单纯一方面的知识是无法完成设计任务的，只有多学科的综合运用才能顺利完成各单元电路的设计，从而达到要求，这是我过去实验或课程设计所未曾经历的。 通过本次温度监控系统的设计,我大有收获，在制作过程中，一定要注意的每个工作步骤的检查，确保制作成功。比如在合理布线，检查装配无误的情况下，如果还出现电路无输出的情况，那么可以肯定是原理图错误，这时就要回到原理图进行检查。总体的检查顺序应该是原理图、PCB图、装配情况、焊接工艺。从整体来说这是一个复杂的过程，要细心谨慎，沉着冷静，反复检查，直到找到原因为止。在做完板子后，我就遇到的问题，ADC0809异常的热，马上断电，知道这是短路了，然后开始查电路，从温度采集开始，最后查到了。上电下载程序成功后发现晶振一直输出255，不正常，又查了好久，调节了滑动变阻，显示正常，扬声器和按键还是不好用，这个还没有改出来，但是答辩时间到了，就这样了。这次课设虽然遇到很多问题，但锻炼了我的动手能力，特别是对于DXP软件的使用更加熟练，为将来的学习及工作都打下了好的基础。 参考文献 1、《智能仪器原理与设计》周航慈 北京航空航天大学出版社 2、《智能仪器技术》方彦军 化学工业出版社 18 3、《智能仪器原理与设计》高立娥 西北工业大学出版社 4、《数据采集系统的设计与实现》周振安 地震出版社 5、《智能仪器原理与设计》朱欣华 高等教育出版社 6、《智能仪器》程德福 机械工业出版社 7、《单片机原理及接口技术》李朝青 北京航空航天大学出版社 附录1元器件清单 元器件名字 数量 1K电阻 3个 10K电阻 7个 100K电阻 2个 滑动变阻器10K 2个 排阻1K9P 1个 PT100进口 1个 22P电容 2个 12M晶振 1个 1*40直针 3排 1*40塑料座 2排 四角开关 2个 六角开关 1个 19 三极管8050 1个 有源蜂鸣器 1个 杜邦线 20根 LM324 1个 14PIC座 1个 ADC0809 1个 28PIC座 1个 STC89C52 1个 40PIC座 1个 TL431 1个 15*20单片玻纤铜板 1面 热转印纸 2张 蓝色LED 1个 20 21