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1、 Word 资料 Word 资料 多功能智能化温度测量仪设计 一 引言一 引言 温度是日常生活 工业 医学 环境保护 化工 石油等领域最常遇到的 一个物理量 也是工业控制中主要的被控参数之一 对温度的测量与控制在现 代工业中也是运用的越来越广泛 而传感器主要用于测量和控制系统 它的性 能好坏直接影响系统的性能 因此 不仅必须掌握各类传感器的结构 原理及 其性能指标 还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理 显示和控制的要求 而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例 的分析了解 才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来 适应传感器的生 产 研制 开发和应用 另一方面 传
2、感器的被测信号来自于各个应用领域 每个领域都为了改革生产力 提高工效和时效 各自都在开发研制适合应用的 传感器 于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现 温度传感器是其中重要的一类传器 其发展速度之快 以及其应用之广 并且还有很大潜力为了提高对传感器的认识和了解 尤其是对温度传感器的深 入研究以及其用法与用途 基于实用 广泛和典型的原则而设计了本系统 本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统 文 中将传感器理论与单片机实际应用有机结合 详细地讲述了利用热电阻作为温 度传感器来测量实时的温度 以及实现热电转换的原理过程 本设计系统包括温度传感器 信号放大电路 A D 转换
3、模块 数据处理与 控制模块 温度显示五个部分 文中对每个部分功能 实现过程作了详细介绍 整个系统的核心是进行温度测量与显示 完成了课题所有要求 Word 资料 1 PT100 温度传感器 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类 前者是让 温度传感器直接与待测物体接触 而后者是使温度传感器与待测物体离开一定 的距离 检测从待测物体放射出的红外线 达到测温的目的 在接触式和非接 触式两大类温度传感器中 相比运用多的是接触式传感器 非接触式传感器一 般在比较特殊的场合才使用 目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热 电式传感器 其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器 将温度
4、变 化转换为热电势变化的称为热电偶传感器 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类 前者简称热 电阻 后者简称热敏电阻 常用的热电阻材料有铂 铜 镍 铁等 它具有高 温度系数 高电阻率 化学 物理性能稳定 良好的线性输出特性等 常用的 热电阻如 PT100 PT1000 等 近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传 感器 如 DALLAS 公司 DS18B20 MAXIM 公司的 MAX6576 MAX6577 ADI 公司的 AD7416 等 这些芯片的显著优点是与单 片机的接口简单 如 DS18B20 该温度传感器为单总线技术 MAXIM 公司的 2 种温度传感器一个为频率输
5、出 一个为周期输出 其本质均为数字输出 而 ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近年也比较流行的 I2C 总线 这些本身都 带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便 但这类器件的最大缺 点是测温的范围太窄 一般只有 55 125 而且温度的测量精度都不高 好的才 0 5 一般有 2 左右 因此在高精度的场合不太满足用户的需要 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器 它具有结构 简单 制造方便 测温范围宽 热惯性小 准确度高 输出信号便于远传等优 Word 资料 点 常用的热电偶材料有铂铑 铂 铱铑 铱 镍铁 镍铜 铜 康铜等 各种不同 材料的热电偶使用在不同的测温
6、范围场合 热电偶的使用误差主要来自于分度 误差 延伸导线误差 动态误差以及使用的仪表误差等 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高 低 这种测温方法可避免与高温被测体接触 测温不破坏温度场 测温范围宽 精度高 反应速度快 既可测近距离小目标的温度 又可测远距离大面积目标 的温度 目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵 二是非接触式温度传感 器的输出同样存在非线性的问题 而且其输出受与被测量物体的距离 环境温 度等多种其它因素的影响 本设计的要求是采用 PT100 热电阻 测温范围是 200 600 精度 0 5 具体的型号选为 WZP 型铂电阻 2 AT89C51 单
7、片机 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性 能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可 编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准 的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器 组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT8
8、9C2051 是 它的一种精简版本 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 高且价廉的方案 3 LCD 显示器 Word 资料 液晶显示器是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器 和 CRT 显示器相比 LCD 的优点是很明显的 由于通过控制是否透光来控制亮和 暗 当色彩不变时 液晶也保持不变 这样就无须考虑刷新率的问题 对于画 面稳定 无闪烁感的液晶显示器 刷新率不高但图像也很稳定 LCD 显示器还 通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光 所以它做到了真正的完全平 面 4 系统总体设计介绍 测温的模拟电路是把当前 PT100热电阻传感器的电阻值 转换为容易测量
9、 的电压值 经过放大器放大信号后送给 A D 转换器把模拟电压转为数字信号后 传给单片机 AT89C51 单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值 转换为温度值 并将数据送出到 LCD 显示器进行显示 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 其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器 温度信号的获取电 路 采样 放大电路 A D 转换电路 系统的总结构框图如图 1 所示 Word 资料 图 1 系统的总结构框图 本温度测量系统设计 是采用 PT100 温度传感器经过放大和 A D 转换器送 到单片机进行控制温度显示 另外本系统还可以通过外接电路扩展实现
10、温度报 警功能 从而更好的实现温度现场的实时控制 经过多次的修改和调试测量 本设计基本符合设计要求 由于受人为因素 和软硬件的限制 系统难免不了带来一些误差 但通过调节和精确计算可以减 小误差 通过本次温度测量系统的设计 我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深入 的学习 在整个设计的过程中 本设计的重点和难点是 怎样将 PT100 热电阻 的非电量信号转换为单片机单片机能识别的电量信号 其中的信号如何放大及 放大倍数的确定等等 二 硬件设计二 硬件设计 1 PT100 传感器特性及测温原理 电阻式温度传感器 RTD Resistance Temperature Detector 是指一种物 质
11、材料作成的电阻 它会随温度的改变而改变电阻值 PT100 温度传感器是一种以铂 Pt 做成的电阻式温度传感器 属于正电阻系 数 其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示 在 0 600 范围内 Rt R0 1 At Bt2 在 200 0 范围内 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 式中 A B C 为常数 Word 资料 A 3 96847 10 3 B 5 847 10 7 C 4 22 10 12 由于它的电阻 温度关系的线性度非常好 因此在测量较小范围内其电阻 和温度变化的关系式如下 R Ro 1 T 其中 0 00392 Ro 为 100 在 0 的电阻值 T 为华氏
12、温度 因此铂做成 的电阻式温度传感器 又称为 PT100 PT100 温度传感器的测量范围广 200 600 偏差小 响应时间短 还具有抗振动 稳定性好 准确度高 耐高压等优点 其得到了广泛的应用 本设计即采用 PT100 作为温度传感器 主要技术指标 1 测温范围 200 600 摄氏度 2 测温精度 0 5 摄氏 度 3 稳定性 0 5 摄氏度 Pt100 是电阻式温度传感器 测温的本质其实是测量传感器的电阻 通常是将 电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号 然后再将模拟信号转换成数字信号 再由处理器换算出相应温度 采用 Pt100 测量温度一般有两种方法 方案一 设计一个恒流源通过 Pt1
13、00 热电阻 通过检测 Pt100 上电压的 变化来换算出温度 测温原理 通过运放U1A将基准电压4 096V转换为恒流源 电流流过Pt100 时在其上产生压降 再通过运放U1B将该微弱压降信号放大 图中放大倍数为 10 即输出期望的电压信号 该信号可直接连AD转换芯片 根据虚地概念 工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位 运放 U1A的 端和 端电位V V 4 096V 假设运放U1A的输出脚1对地 Word 资料 电压为Vo 根据虚断概念 0 V R1 Vo V RPt100 0 因此电阻 Pt100上的压降VPt100 Vo V V RPt100 R1 因V 和R1均不变 因此图1
14、虚线 框内的电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻 电流大小为V R1 Pt100 上的压降仅和其自身变化的电阻值有关 设计及调试注意点 a 等效恒流源输出的电流不能太大 以不超过1mA为准 以免电流大使得 Pt100电阻自身发热造成测量温度不准确 试验证明 电流大于1 5mA 将会有较明显的影响 b 运放采用单一5V供电 如果测量的温度波动比较大 将运放的供电改为 15V双电源供电会有较大改善 c 电阻R2 R3的电阻值取得足够大 以增大运放的U1B的输入阻抗 图 2 恒流源式测温电路 由于封装问题 实际原理图如下 Word 资料 图 3 实际原理图 方案二 采用惠斯顿电桥 电桥的四个电
15、阻中三个是恒定的 另一个用 Pt100 热电阻 当 Pt100 电阻值变化时 测试端产生一个电势差 由此电势差 换算出温度 测温原理 电路采用TL431和电位器VR1调节产生4 096V的参考电源 采用 R1 R2 VR2 Pt100构成测量电桥 其中R1 R2 VR2为100 精密电阻 当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时 电桥输出一个mV级的压差信号 这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号 该信号可直接 连AD转换芯片 差动放大电路中R3 R4 R5 R6 放大倍数 R5 R3 运放 采用单一5V供电 设计及调试注意点 a 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电
16、桥输出的压差大小 b 改变R5 R3的比值即可改变电压信号的放大倍数 以便满足设计者对温 度范围的要求 c 放大电路必须接成负反馈方式 否则放大电路不能正常工作 Word 资料 d VR2也可为电位器 调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定 例 如Pt100的零点温度为0 即0 时电阻为100 当电位器阻值调至109 885 时 温度的零点就被设定在了25 测量电位器的阻值时须在没有接入电路时 调节 这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变 e 理论上 运放输出的电压为输入压差信号 放大倍数 但实际在电路工 作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系 压差信号比理论值小很多 实际输出信号为4 096 RPt100 R1 RPt100 RVR2 R1 RVR2 1 式中电阻值以 电路工作时量取的为准 f 电桥的正电源必须接稳定的参考基准 因为如果直接VCC的话 当网压 波动造成VCC发生波动时 运放输出的信号也会发生改变 此时再到以VCC 未发生波动时建立的温度 电阻表中去查表求值时就不正确了 这可以根据式 1 进行计算得知 图4 三线制接法桥式测温电路 2 放大电路设计 本次放大电
