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1、课程设计(论文)说明书 设计课题： 基于热电阻的温度测量仪器的设计 院 （系）： 电子工程与自动化 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 李金鹏 学 号： 0900820214 指导教师： 王 月 娥 2012年12月28日摘 要设计热电阻的温度测量仪器电路，可以利用温度传感器PT100铂热电阻来实现。根据其阻值会随着温度的变化而改变，铂热电阻的电阻变化必然引起两脚的输出电压微小变化，并将其放大处理，送入模数转换电路单片机处理予以显示，这样就能利用电压间接反映温度的变化，从而实现温度的测量。关键词：铂热电阻PT100；模数转换；单片机；温度测量；电压变化； AbstractThe design
2、 of heat resistance temperature measuring instrument circuit, can use PT100 temperature sensor platinum resistance temperature to realize. According to its value will change with the change in temperature, platinum resistance temperature resistance change will cause two feet as the output voltage of
3、 a small change, and the amplification processing, into the A/Dc processing to display, so that I can use voltage indirectly reflect the change of the temperature, so as to realize the measurement of temperature. Keywords: platinum resistance temperature PT100; Modulus conversion; A/DC; Temperature
4、measurement; Voltage change目录引言41 设计任务41.1 任务说明41.2 任务分析42 系统框图与器件选择52.1 系统模块52.2 器件选择与分析53 仿真设计93.1 测量电路103.2 仪用放大器113.3 A/DC转换电路123.4 MCU（单片机）143.5 液晶显示154 系统标定（重点）174.1 标定分析174.2 标准标定174.3 实际标定185 数据处理196程序编写（见附件1）207实际运行（室温）208 组装调试218.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法218.2 实物图229 课设总结22谢 辞23附件一24附件二27附件三28附件四
5、29参考文献30引言温度是自然界中和人类接触最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温度传感器就会相应产生。1 设计任务1.1 任务说明本次课题主要是基于热电阻的温度测量仪器的设计，通过完成此次的设计课题理解PT100传感器温度转换原理，利用仪用放大器放大微小的具体过程，运用A/DC实现模数转换，熟悉89S52及接口电路的原理及使用方法，要求脱机运行实现温度显示，并符合一定的误差范围。1.2 任务分析
6、基于热电阻的温度测量仪器的设计，设计任务与要求：1）理解电阻测温的原理；2）理解数模转换器的原理以及与MCU的接口方法；3）理解显示器与MCU的接口方法；4）编程实现温度的测量及显示;5）温度的确定方法建议不采用查表法，采用传感器的关系表达式；6）测量温度范围：0200。2 系统框图与器件选择2.1 系统模块测量电路仪用放大器A/DC转换MCU液晶显示图2.1 系统框图各模块简明：采用电桥法补偿采集电路，利用铂电阻电阻变化引起微小分压变化原理。由于采集电路模拟电压变化微小，必须将其放大才能进入A/DC处理。考虑到集成仪用放大器成本比较大，故采用电压跟随+差分放大实现仪用放大器功能。为了实现得到
7、单片机能处理的数字电压，必须将放大器输出模拟电压送入A/DC进行模数转换。用于实现数据的处理，将数字电压转换成热电阻的阻值，进而得到温度值，具体过程将在下边讲解。将单片机处理完的数据送入1602，实现热电阻阻值以及温度的显示。2.2 器件选择与分析测量电路：根据课程所给热敏电阻为铂电阻PT100，最大电流5mA，课程要求测量温度范围：0200，阻值变化是100175.86，其本身的电压也会变化。仪用放大器：选择运放尤为关键，尤其要注意精度的选择。其原因是由于铂电阻电阻变化引起电压变化，但是此电压是非常微小的，必须保证合适的运放精度这样才能识别此微小电压。此系统我选择CA3140运算放大器，其分
8、辨率为2uV。下面计算当热敏电阻变化一度时电压具体变化多少。图2.2 运放精度选择（RT为铂电阻）1）理论计算：当R1=R2=1K，R2=RT=100时，U2-U1=0； 当R1=R2=1K，R2=100，RT=101时，U2-U1=0.0917-0.0909=0.0008V 根据理论结果判断此值CA3140运放满足。2）仿真测试：当R1=R2=1K，R2=100，RT=101时，图2.3 输出电压仿真结果 U2-U1=0.458674-0.454545=0.004129 根据仿真结果判断此值CA3140运放也能满足。图2.4 CA3140引脚分布图3）各引脚名称及作用如下：INV.INPUT
9、：反相输入端NON-INV INPUT：同向输入端V-：电源-12VOUTPUT：输出V+：电源+12VA/DC转换：由于只需转换一组电压信号，故选择A/DC0804满足要求。A/DC0804为一类单片集成A/D转换器，它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100uS，输出电压范围为05V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接数据总线上。 图2.5 A/DC0804引脚分布图各引脚名称及作用如下：两模拟信号输入端，用以接受单极性、双极性和差模出入信号。DB7DB0：具有三态特性数字信号输出口。AGND：模拟信号地。DGNG：数字信号地。CLK：时钟信号输出端。CLKR
10、：内部时钟发生器的外接点阻端，与CLK端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为：片选信号输入端，低电平有效，一旦有效，表明A/D转换被选中，可启动工作。：写信号输入，低电平输出端有效。：A/D转换结束信号，低电平表示本次转换已完成。：参考电平输入，决定量化单位。：芯片电源5V输入。MCU：STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。工作电压：5.5V3.3V。用户应用程序空间为 8K 字节。片上集成 512 字节 RAM。通用 I/O 口 （32 个） 复位后
11、为：P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。图2.5 A/DC0804引脚分布图液晶显示：1602显示容量：16*2个字符（第一行显示铂电阻阻值，第二行显示温度测量值），芯片工作电压：4.55.5V，工作电流：2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压：5.0V。各引脚名称及作用如下：VSS：电源地。VDD：电源正极。VL：液晶显示编码信号。RS：数据/命令选择端。RW：读/写选择端。E：使能信号。D7D0：Data I/O。BLA：背光源正极。BLK：背光源负极。3 仿真设计图3.1 系统仿真图3.1
12、 测量电路图3.2 测量电路仿真图1）分析：采用电桥补偿法实现温度的测量，其方法电路简单，节约成本。当温度变化引起其电阻变化，电阻变化必然电压产生变化，而温度就是间接通过电压来模拟。由于铂电阻RT最大工作电流为5mA，VCC=5V，可以计算出VCC与GND之间的电阻至少为1K才能使工作电流小于5mA，所以R1与R2阻值为1K，RV1为一个150的精密电位器，目的是为了调节后级运放的失调电压，作为补偿作用，起到调零作用。2）计算：U2-U1= （RV1数值待定，其电阻大部分是补偿运放失调电压，所以要经过运放才能真正确定此电阻的数值）3.2 仪用放大器图3.3 放大器仿真图1）分析：U1、U2为电
13、压跟随器，信号输入输出之间的关系：=。电压跟随器又叫单位增益放大器、缓冲器、射随等。之所以叫电压跟随器是因为这个电路的输出端电压与输入电压始终是一样的，它在电路中起到了缓冲、隔离、提高带负载能力的作用，该电路在所有的放大器组态电路中具有最高的输入阻抗。运放有一个特点就是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使后一级的放大电路更好的工作，也因为这个原因使它对前后级电路起到了“隔离”作用。差分放大信号输入输出之间关系：=，当R3=R4，且RV2=R5时，有，R1/RV2=R4/R5。差分放大电路时求和电路的发展，它可以减小去除两个信号中的共模成分。在R3=R4，RV
14、2=R5时，差分输入、单端输出特殊情况下，两端输入的增益都是RV2/R3。2）计算：=，调节RV1使差放输出为0，得到RV1阻值，代入测量电路输出电压U2-U1= ，然后将测量电路输出电压乘以放大倍数这样才能送去A/DC。3.3 A/DC转换电路图3.4 A/DC转换仿真图1）分析：A/DC0804的片选端连接P3.0，我们可以通过IO口来控制来开始转换。CLKR，CLR，GND之间用电阻和电容组成RC振荡电路，用来给A/DC0804提供工作所需的脉冲，其脉冲的频率为1/(1.1RC)，按芯片手册上说明，R取10K，C取150pF，得到最佳的转换速度。/2端用两个1K的电阻分压得到VCC/2电压，即2.5V，将该电压作为A/D芯片工作时内部的参考电压。、分别接P3.6、P3.7，数字输出端接单片机的P1口。为了达到精度高，稳定好的目的
