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1、测控系统设计论文题目: 温度测量控制系统 学生姓名: 刘涛 学 号: 0807250223 院 (系): 自动化工程学院 专 业: 测控技术与仪器 2011 年4 月 目 录1.摘要31.1指导思想31.2基本设计内容及要求31.3电路特点32.电路设计32.1总体设计思想32.1.1方案论证32.1.2原理框图32.1.3硬件设计思想42.2各主要部件及电路工作原理42.2.1单片机电路42.2.1.1时钟显示42.2.1.2复位电路52.2.1.3程序流程图62.2.1.4键盘流程图72.2.2温度信号的获取与放大72.2.2.1PT100温度传感器72.2.2.2信号放大电路92.2.2
2、.3温度值计算过程92.2.3模数转换单元电路92.2.4按键电路112.2.5显示电路122.2.6电热杯控制电路143.数据的处理144.小结155.设计体会及今后的改进意见155.1体会155.2改进意见15参考文献16附录:元器件清单171摘要温度的测量是生产生活中时常需要的工作,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Abstract:Temperature measurement is the production of life often need to work, in the 21
3、st century, the temperature sensor is headed in high precision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safety, development virtual sensor and network sensor, research monolithic temperature measuring system and other high-tech direction develop rapidly.关键词:High precision, multi-f
4、unction, bus, standardization, high reliability and safety1.1指导思想本课题以PT100热电阻为温度检测元件,设计了一个对单点温度实时检测的单片机温度检测系统1.2基本设计内容及要求使用PT100温度传感器(电阻值随温度变化),设计传感器放大电路,将传感器的电阻值转变为05V电压信号,将温度值显示出来再设计控制电路,控制一个300W电热杯温度,使其能够稳定在设定的温度值1.3电路特点设计以测量显示部分电路为主,以单片机系统为核心,对单点的温度进行实时测量检测并采用热电阻PT100作为温度传感器op07作为信号放大器ADC0809作为A
5、/D转换部件,对于温度信号的采集具有大范围高精度的特点在功能性能可操作性等方面都有较大的提升,具有更高的性价比2电路设计2.1总体设计思想2.1.1方案论证 方案1:采用单片机测量并控制温度,测量电路采用电桥电路此方案硬件电路简单,但是需设计复杂的软件电路 方案2:采用模拟电路测量并控制温度,测量电路采用电桥电路此方案电路复杂,但是不需要软件电路的支持 采用方案1,此方案硬件电路简单,易于构成虽然软件复杂,单片机程序易于获取,且可以用软件校正温度的测量,使测量结果更加精确2.1.2原理框图 按键显示电路控制电路测量电路2.1.3硬件设计思想电路中单片机采用的是89C51,是我们书中常用的单片机
6、型号在温度信号的获取与放大电路中,以PT100为温度传感器获取温度信号,以放大器op07为信号放大器件电热杯控制电路中,由于电热杯是使用220v的强电,故需要与单片机电路隔离,采用的是继电器控制电热杯用7409驱动继电器,二极管作为继电器的保护电路显示电路中由于需要显示带小数点的4位数字,采用的是4个Bcd7段带小数点的共阴数码管显示测量值,用8255扩展单片机的输出端口键盘电路中采用的是三个独立式按键修改温度的恒定值,按键分别是加减功能键按下功能键便可修改温度值,按功能键不同次数可以选择加减的幅值,再次按功能键确定A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度由于本系统测量的是温度信号,响应时
7、间长,滞后大,不要求快速转换,因此选用8位串型A/D转换器ADC0809便能能达到设计的基本要求为进一步提高精度,可以直接采用12位A/D转换器,也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率因为8位ADC0809其性价比更高,更重要的是我在课本上学的就是ADC0809,对它更加熟悉,所以本次设计我选用了ADC0809作为模数转换器2.2各主要电路及部件工作原理2.2.1单片机电路单片机采用89C51AT89系列单片机对于一般用户来说,有下列明显的优点:内部含有Flash存储器,在系统开发过程中很容易修改程序,可以大大缩短了系统的开发时间与MCS-51系列单片机引脚兼容,可以直接进行代换AT89
8、系列并不对80C31的简单继承,功能进一步增强,在我国这种单片机受到广泛青睐2.2.1.1时钟显示单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器,引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端单片机内部虽然有振荡电路,但要形成时钟,外部还需附加电路单片机的时钟产生方式有两种 内部时钟方式 外部时钟方式 图1 单片机的2种时钟方式2.2.1.2复位电路单片机的复位是靠外部电路实现的单片机工作后,只要在它的RST引线上加载高电平,单片机就能够有效地复位单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式 图2 单片机的2种复位电路单片机仿真引脚图: 图3 单片机电路2.2.1.3程序流程图程序主要由主
9、程序和子程序两部分构成 主程序主要实现系统的初始化,键值处理,A/D转换,显示数据程序框图如下:图4 程序流程图2.2.1.4键盘流程图键盘框图如图5.2.2.2温度信号的获取与放大在本电路中,以PT100为温度传感器获取温度信号,以放大器op07为信号放大器件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OP07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2.2.2.1PT100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
10、如下: 测量范围:-200+850; 允许偏差值: A级 , B级 ; 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 图5 键盘流程图鉑热电阻的线性较好,在0100摄氏度之间变化时,最大非线性偏差小于0.5摄氏度鉑热电阻阻值与温度关系为: -200t0时,; 0t850时,;式中,A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735可见PT100在常温0100摄氏度之间变化时线性度非常好,其阻值表达式可近似简化为:,当温度变化1,PT100阻值近似变
11、化0.392.2.2.2信号放大电路对信号放大,我使用了低价格高精度的仪器放大器OP07,它运用方便,O是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路,可以通过外接电阻方便的进行各种增益的调整其增益计算公式为: (1)2.2.2.3温度值计算过程由于A/D检测到的模拟电压值 (2)计算可到的值,然后利用如下公式求出温度值: (3)其中,图6 温度的获取与放大电路2.2.3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
12、的芯片 ADC0809的内部逻辑结构如图2-2所示 图7 ADC0809内部逻辑结构由上图可知,ADC0809由一个8路模拟开关一个地址锁存与译码器一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 引脚结构如图2-3 所示图8 ADC0809引脚结构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
13、入线,用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入通道选择表1如下:CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 表1 通道选择模数转换电路仿真图:图9 A/D转换电路2.2.4按键电路键盘电路中采用的是三个独立式按键修改温度按键电路仿真图:图10 按键电路2.2.5显示电路在单片机应用系统中,如果需要显示的内容只有数码和某些字母,使用LED数码管是一种较好的选择LED数码管显示清晰成本低廉配置灵活,与单片机接口简单易行 LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件图8为0.5英尺LED数码管的外形和引脚图,其中七只发光二极管分别对应ag笔段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管图11 LED数码管当LED数码管与单片机相连时,一般将LED数码管的各笔段引脚abgDp按某一顺序接到MCS-51型单片机某一个并行I/O口D0D1D7,当该I/O口输出某一特定数据时,就能使LED数码管显示出某个字符LED数码管编码方式有多种,按小数点计否可分为七段码和八段码;按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码,不计小数点的共阴字段码与共阳
