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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PT100传感器的温度测量系统的设计学生学号： 09540217 学生姓名： 李默默 专业班级： 测控0902 指导教师： 金炳涛 职 称： 讲师 起止日期： 2012.03.052012.03.25 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology信息与控制工程学院硬件课程设计课程设计任务书一、设计题目：基于PT100传感器的温度测量系统的设计二、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SST89E51单片机体系结构及C语言程序设计方法。3. 掌握PT100热
2、电阻测温系统的结构及电路板的焊接、检测方法。三、设计任务及要求1设计热电阻测温电路，并应用Protel画出其电路原理图。2完成SST89E51单片机热电阻测温系统的焊装和硬件调试。3学习SST89E51单片机，编写完整的实验程序，下载到单片机并进行调试。4. 撰写设计说明书。四、设计时间及进度安排设计时间共三周（2012.3.52012.3.25），具体安排如下表：周次设 计 内 容设计时间第一周1.设计热电阻测温电路，并用Protel画出电路原理图；2完成SST89E51的热电阻测温系统的焊装和硬件调试。2012.3.5 2012.3.11第二周1.查找相关资料，编写实验程序；2.进行整机调
3、试并完成功能。2012.3.122012.3.18第三周1.撰写设计说明书；2.答辩。2012.3.192012.3.25五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语: 年 月 日年 月 日成绩指导教师(签字):目 录课程设计任务书I目 录II摘要III第1章 概述1第2章 硬件设计及相关介绍22.1 恒流源部分22.1.1 PT100传感器特性和测温原理22.1.2 PT100温度传感器原理32.2 信号采集调理电路32.3 A/D模数转换模块42.4 显示模块82.5串口电路及MAX232芯片简介82.6 SST89E51单片机简介9第3章 软件设计及相关介绍123.1 编程语言(C语言)介绍1
4、23.2编程软件Keil简介123.3程序设计流程图153.4初始化程序153.5液晶显示173.6用插值法计算数据183.7运行结果183.8数据测试及误差分析18结论19参考文献20摘要近几年我国热电阻行业发展速度较快，受益于热电阻行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大，热电阻行业在国内和国际市场上发展形势都十分看好。本文正是介绍了热电阻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SST89E51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NOKI
5、A5110显示电路，能实现对温度的显示。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计和软件中对测量值的插值计算，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在-120+260范围内达到0.1。本文采用SST89E51单片机，LM358放大器，ICL7135A/D转换器，铂电阻PT100及NOKIA5110组成测量系统，编写了相应的软件程序，使其实现温度的显示。该系统的特点是：使用简便，价格低廉；测量精确、稳定、可靠；测量范围大，使用对象广，稍加改动之后应用会更加广泛。I信息与控制工程学院硬件课程设计说明书第1章 概述 热电阻应用领域广泛，覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、
6、文教卫生、人民生活等各方面，在国民经济建设各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务。由于其地位特殊、作用大，对国民经济有巨大倍增和拉动作用，有着良好的市场需求和巨大的发展潜力。 具体的需求对象可以从以下几个方面进行表述： 1、在人类社会进入知识经济时代、信息技术高速发展的背景下，热电阻及其测量控制技术得到日益广泛应用，给热电阻行业的快速发展提供了良好契机。热电阻是信息产业的源头和组成部分，是信息技术的重要基础。2、热电阻广泛应用于装备、改造传统产业的工艺流程的测量和控制，是现代化大型重点成套装备的重要组成部分，是信息化带动工业化的重要纽带。3、高水平科学研究和高新技术产业的发展迅速提高了
7、对热电阻的需求，热电阻在实施科教兴国、知识创新和技术创新的过程中，正发挥十分重要的作用。 4、热电阻已成为现代国防建设技术装备的重要组成部分，我国航天工业的固定资产1/3是热电阻和计算机;运载火箭的仪器开支占全部研制经费的1/2左右;导弹的高精度制导、控制，航天精纬测量和红外成像、专用高温实验设备等都是国防装备中的重点产品。5、热电阻在探索人类社会可持续发展、抵御自然灾害、依法治国并实施有关法律(质量、商检、计量、环保等)的过程中作为重要实施手段和保障工业被普遍采用。本设计系统包括热电阻PT100，信号放大器，A/D转换模块，数据处理与控制模块，显示模块六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作
8、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。第2章 硬件设计及相关介绍本系统的电路主要由线性电源模块、信号采集与调理模块、A/D模数转换模块、显示模块、单片机最小系统模块组成。具体电路和工作原理下面一一介绍。2.1 恒流源部分恒流源的作用是提供1mA的恒定电流供后续电路使用。具体电路如图2.1所示。图2.1 1mA恒流源当恒流源工作时，由于LM385B12稳压管(1.2V)的稳压作用，其两端的电压U=U1-U2=1.2V。根据虚短原理，运放正反相输入端电压U+=U-，即R2 两端电压为U，故I=U/R2=1.2v/1k =1.2mA。根据虚断原理，流过R2的电流将几乎全
9、部流入复合管而不流入运放的2脚。为了减小温度对恒流源的影响，本设计采用两只三级管组成的复合管。复合三极管：又叫达林顿管，将系数放大，即=1*2=2，使达林顿管集电极和发射极电流相等，即Ic=Ib(1+)Ib=Ie=I。电路中R8和R6分别起限流和保护作用，从而大大增强了恒流源的抗干扰能力。2.1.1 PT100传感器特性和测温原理PT100温度传感器，是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数。Pt100，就是说它的阻值在0度时为100欧姆。PT100温度传感器是一种高精准的测温仪器，在工业生产中有着重要的作用，本文介绍PT100温度传感器原理及其产品特征。 2.1.2 pt10
10、0温度传感器原理PT100是一个温度传感器,是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200 至 650 的范围。电阻式温度检测器(RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定，耐酸碱、不会变质、相当线性最受工业界采用。 PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其
11、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为摄氏温度。因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。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。主要技术指标：1. 测温范围：-200650；2. 测温精度：0.1；3. 稳定性：0.1。PT100温度传感器测量范围广：-200+650，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，本设计采用PT100作为温度传感器。采
12、取方案：设计一个恒流源通过PT100热电阻，通过检测PT100上的电压的变化来换算出温度。2.2 信号采集调理电路信号采集调理电路，就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等，但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。该测温系统这部分电路
13、的主要作用是用热电阻Pt100配合电流源采集当前的温度并将其转换为电压信号，调理电路将这个微小的电压信号转换为可以输入A/D转换器的合适电压值。具体组成电路如图2.2所示。图3.2 信号采集调理电路根据运放的“虚短”、“虚断”作用，有； 运放的7引脚输出端电压:；结果将微小的电压信号放大转换为可以输入A/D转换器的合适电压值。2.3 A/D模数转换模块2.3.1 ICL7135功能介绍ICL7135是一种四位半的双积分A/D转换器，可以转换出20000个数字量选通控BCD码输出，与单片机接口十分方便。它具有精度高（相当于14位A/D转换），价格低的优点。其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均
14、有：自校准（调零），正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10001个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）。故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数。将计数的脉冲个数减10000，即得到对应的模拟量。具体电路如图2.3所示。图2.3 A/D模数转换电路图2.4给出了ICL7135时序，由图可见，当BUSY变高时开始正向积分，反向积分到零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。图2.4 ICL7135时序图计数的时钟脉冲是由单片机的ALE引脚经过74HC393分频后得到的。在平时，单片机ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲，若外部时钟为12MHZ，则ALE端输出的时钟频率为2MHZ。由于ICL7135芯片在时钟脉冲为125KHZ时对50HZ工频干扰有较大抑制能力，此时转换速度为3次/s，故将ALE端的时钟脉冲经过74HC393芯片16分频后得到所需的125KHZ。74HC393芯片如图2.5所示。图2.5 74HC393芯片及电路图2.3.
