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1、信息与控制工程学院硬件课程设计说明书基于C8051F410的热电阻测温仪表的设计学生学号： 08540223 学生姓名： 专业班级： 测控 0802 指导教师： 职 称： 讲 师 起止日期：2011.03.282011.04.15吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology课程设计任务书一、设计题目：基于C8051F410的热电阻测温仪表的设计二、设计目的:1熟悉Keil uVision开发软件 及Protel电路设计设计软件的使用。2. 掌握C8051F410单片机体系结构及C语言程序设计方法。3掌握热电阻测量的三线制原理及信号调理电路的设计。4.
2、 掌握智能测量系统的校准原理。三、设计任务及要求1学习C8051F410单片机体系结构及程序开发。2设计热电阻测温电路，并应用Protel画出其电路原理图。3完成C8051F410的热电阻测温系统的焊装和硬件调试。4. 编写完整的实验程序，进行整机调试。5. 撰写设计说明书。 四、设计时间及进度安排设计时间共三周,具体安排如下表：周 次设 计 内 容设计时间第一周1. 学习C8051F410单片机体系结构及程序开发；2. 设计热电阻测温电路，并应用Protel画出其电路原理图。2011.3.282011.4.1第二周1. 完成C8051F410的热电阻测温系统的焊装和硬件调试；2. 编写实验程
3、序。2011.4.22011.4.8第三周1. 整机调试；2. 撰写设计说明书；3. 答辩。2011.4.92011.4.15五、考核内容1出勤、学习态度以及纪律情况；2设计完成情况及设计说明书完成质量；3答辩。综合以上考核内容给出硬件课程设计总评成绩。指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):目 录摘 要IV第1章 概述1第2章 设计方案的选择及原理框图22.1 设计方案的选择22.1.1 测温元件22.1.2 测量方法32.1.3 接线方法32.1.4 运放元件32.2 设计方案原理框图42.2.1 电源电路42.2.2 信号采集电路42.2.3 单片机42.2.4 显示电路4第3章
4、原理分析53.1 单片机外围电路53.2 信号采集电路53.2.1 恒流源电路53.2.2 信号调理电路63.3 显示电路7第4章 C8051F410单片机94.1 系统概述94.2 基准电压94.3 端口输入/输出及其初始化94.4 12位ADC(ADC0)104.5 定时器10第5章 系统电源125.1 电源电路原理框图125.2 电源电路原理图12第6章 软件方面146.1 编程语言及软件146.1.1 编程语言C语言146.1.2 编程软件146.2 程序流程图156.3 程序调试166.4 数据测试及分析16结 论17参考文献18摘 要温度传感器PT100是一种稳定性和线性度都比较好
5、的铂丝热电阻传感器，它可以工作在-200至650的范围内。本电路的工作范围设定在-95至325。本设计则利用了PT100热电阻的温度特性做一个带有四位LED显示的温度采集系统。其中采用了恒流法制作了一个5V的电流源，然后通过信号采集电路将PT100随温度在电阻值上的变化，送入一个恒定电流从而获得一个改变的电压值，再将电压上的改变透过C8051F410单片机的A/D口来进行模/数转换，送入单片机中，再通过软件进行反推计算得到温度的改变值，同时利用软件剔除了外界干扰及内部电路带来的粗大误差以得到稳定准确的结果，并将计算结果送给LED来显示温度值。关键字：PT100；三线制；恒流法；温度采集；OP0
6、7运算放大器 ；C8051F410单片机第1章 概述 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面，温度测量和控制都是极为重要的课题。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。传感器主要大体经过了三个发展阶段传统的分立式温度传感器(含敏感元件)，到模拟集成温度传感器/控制器，再到智能温度传感器。进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性
7、、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200800之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.0010.01之间。自带LED显示模块，显示4位到16位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。温度测量系统在单片机系统设计中应用广泛，
8、根据单片机系统设计要求的不同，温度测量系统的设计也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。本设计以PT100热电阻为温度检测元件，完成了一个对单点温度实时检测的单片机温度检测系统。从信号采集，到信号调理，送入单片机做模数转化以及软件上的数据计算从而得到温度值，最后送入LED数码管进行显示，以实现对温度的实时检测，检测范围可达-95至325。第2章 设计方案的选择及原理框图2.1 设计方案的选择方案的选择涉及到了温度传感器的确定，将温度传感器阻值上的改变转换为电信号的方法选择，PT100的三种接线方式，以及信号采集电路中放大器的选择。综合各元件的性能及成本问题，最终确定以P
9、T100温度传感器作为该系统中测温的核心元件，对其用恒流法及三线制的接线方法，同时辅助OP07运算放大器得到信号采集电路，采集信号并且调理过后再送入单片机中。2.1.1 测温元件在各种各样的测量技术中，温度的测量可能是最为常见的一种，因为任何的应用领域，掌握温度的确切数值，了解温度与实际状态之间的差异等，都具有极为重要的意义。工业上常用的温度传感器有四类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器；每一类温度传感器有自己独特的温度测量范围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度范围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的测量精度最高。（1）热
10、电偶，可测温度范围大，机械强度高，及价格低，成为温度测量的常选，高精度系统要求的线性度及准确度，要实现并不容易同时它是一种高度非线性器件，需作大力线性化算法处置。因此不选择热电偶作为本设计的温度传感器。（2）热敏电阻，灵敏度较高，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。但是阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。
11、因此本设计不采用热敏电阻。（3）集成温度传感器，温度变化引起输出量的变化呈良好的线性关系，不像热电偶那样需要参考点，抗干扰能力强，互换性好，使用简单。它在生活生产中具有非常广泛的应用前景，随着技术的不断改进其精度与控制方面也有广泛的应用前景。只是价格方面略有昂贵，本设计并不采用。（4）热电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。由于热电阻测温元件的技术在持续不断地改进，温度测量的质量在不断提高，但要真正实现高质量、高精度的温度测量系统，热电阻的器件选择仍然极为重要。热电阻是电阻性的元件，由金属制成，如铂、镍、铜等，所选金属必须具有可以预测的电阻值随温度变
12、化的特性，其物理性能要易于加工制造，电阻温度系数必须足够大，使其电阻随温度的改变易于准确测量。其他的温度检测器件，如热电偶，并不能让设计人员有一种相当线性的电阻随温度变化特性，而热电阻这种线性度极好的电阻温度特性，大大简化了信号处理电路的设计制作。其中又以铂电阻在三种金属中具有最为精确、可靠的温度电阻特性。因此，铂电阻最适于需要最高的绝对精度及重复性使用场合，它对环境的敏感度极低，与此相比，铜电阻则易产生腐蚀，长期稳定性差，而镍电阻虽然环境宽容度好，但适用温度范围较窄。铂电阻的对温度响应的线性度好，化学惰性，容易加工制作直径较细的线材或是厚度小的箔材，铂的电阻率高于其他的热电阻材料，在电阻值相
13、同的情况要求用材少，适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合。铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。因此本设计选用了常见的PT100作为测温元件。2.1.2 测量方法（1）恒压法采用一个恒定的电压源，将其加在PT100热电阻之上，温度的变化导致电流的变化，通过测量电流变化值并且根据一定的对应关系可以计算出所测温度。（2）恒流法采用恒定的电流加于PT100热电阻之上，当温度引起阻值变化时，便可以产生电压的变化。再根据此变化值经过计算得到温度值。由于在电路的设计方面，利用恒流源设计测温电路比利用恒压源设计的测温电路更为简洁，因为恒流源可以直接和热电阻串联在一
14、起，然后设计一些消除误差的辅助电路即可，而恒压源不可直接加在热电阻上，否则A/D采样值将会恒定地采集恒压源的电压，因此要设计配套的测温电路，成本也会相应地增加。因此本设计采用恒流法。2.1.3 接线方法（1）二线制在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r整个电路的电阻为热电阻的电阻值加上两段导线电阻的电阻值测量误差大，大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 （2）三线制在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。（3）四线制在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。本系统中PT100热电阻采用三线制接法。由于热电阻要安装在被测环境中，距离电阻测量装置有一定距离，这样实际测量的时候就会带来导线电阻的误差，因此实际使用热电阻的时候都是采用三线制的连接方法。 2.1.4 运放元件 OP07是一种
