高精度测温系统的研制.docx

1、高精度测温系统的研制摘 要温度的精密控制对现代企业生产的影响越来越深，而高精度的温度测量技术是决定温度控制精度的前提。随着温度控制精度的进一步提高，普通的测温传感器已经无法满足生产的需求，而且在现场的生产环境中存在大量的干扰，要求温度测量装置在满足高精度的前提下，还要求高稳定性和强抗干扰性。本文在综合多种的测温技术方案的前提之下，决定采用MC9S12XS128单片机为核心控制芯片，以非平衡桥来驱动三线制Pt1000铂电阻测温电路，并且对温度测量系统中涉及的非平衡电桥、信号调理电路、控制算法等部分的机构和原理进行了初步研究。系统通过单片机的片内A/D模块，把测温电桥的输出信号采集到单片机内部，再

2、设定和调试相关参数，把温度数据通过RS232串口线上传给上位机，再由上位机进行控制及相关参数的实时显示和记录。通过多次试验，该测温系统能够可靠的工作。关键词：温度测量 单片机 RS232 电阻测温器AbstractPrecise temperature control has the increasing influence on the modern enterprise producing, and high-precision temperature measurement technique is to determine the accuracy of temperature con

3、trol of the premise. With the further improving of the precision of temperature control, the ordinary temperature sensor has been unable to meet production needs, and there is a lot of interference in the production environments. The temperature measuring devices has to meet the requirements under t

4、he premise of high accuracy, high stability and strong anti-interference also should be considered. After comparing the variety of temperature measurement we decided to adopt MC9S12XS128 microcontroller as the core control chip, the three-wire Pt1000 platinum resistance drived by unbalanced bridge a

5、s temperature measurement circuit.We studied signal conditioning circuitry, control algorithms and other parts of the body. The system sampled output signal of the bridge of the temperature to the internal microcontroller through A / D module, then set the relevant parameters, the temperature data v

6、ia RS232 serial line to the host computer, and then be controlled by the host computer to display and to record related parameters. Through several experiments, the temperature measurement system can work reliably.Keywords: Temperature detection, Microcontroller , 232 Bus , RTD (Resistance Temperatu

7、re Detector)摘 要 1Abstract 2第一章 绪论 61.1研究背景 61.1.1 温度传感器的概念 61.1.2 温度测量的意义 61.1.3 常用温度传感器的分类 61.1.4 温度测量控制技术的国内外研究现状 71.2 基于Pt1000的高精度温度采集系统 81.2.1研究意义 81.2.2待解决的问题 81.3本文研究内容 8第二章 传感器、单片机及开发工具 102.1 热电阻 102.1.1 热电阻的组成结构 102.1.2 工作原理 102.1.3热电阻接线 102.2 热电阻Pt1000介绍 112.3.2时钟模块 132.3.3看门狗 132.3.4中断模块 1

8、32.3.5串口通讯SCI模块 142.3.6 模数（A/D）转换模块 142.4 Codewarrior5.0开发环境介绍 152.5 Protel DXP 2004 集成环境 162.6基于Visual Basic 6.0的上位机系统 17第三章 温度测量系统的设计 223.1 温度测量系统概述 193.2 温度采集系统的基本原理 193.3上位机与测温探头通讯示意图 193.4测温探头主要模块 203.4.1测温探头的硬件模块 203.4.2测温探头的软件模块 21第四章 测温探头的硬件设计 224.1电源管理模块 224.2恒压源模块 224.3 非平衡电桥 234.4温度信号处理模块

9、 244.5 RS232通讯模块 264.6 单片机最系统模块 27第五章 测温探头的软件设计 285.1程序流程图 285.2温度采样 285.3程序滤波 295.4线性化补偿 295.5 RS232传输 29第六章 实验数据及参数 306.1温度测量 306.1.1 温度与温标 306.1.2 温度测量的主要方法 306.2 Pt1000测温实验 316.2.1电阻箱标定 316.2.2 温度采集及RS232通讯实验 326.3 热电阻Pt1000测温电路调试体会 33第七章 总结与展望 34致谢 35参考文献 36附录1 37附录2 38附录3 39附录4 40第一章 绪论1.1研究背景

10、1.1.1 温度传感器的概念温度传感器是指能感受温度并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。温度传感器将检测到的温度信息按一定形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要前提。温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学

11、温度传感器、红外传感器和微波传感器。1.1.2 温度测量的意义温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此温度是一个十分重要的物理量,研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度:如大气及空调房中温度的高低,直接影响着人们的身体健康；在大规模集成电路生产线上,环境温度不适当,会严重影响产品的质量；恒温育苗室内温度的控制对育苗的质量影响也很大。温度传感器作为在各种控制场合经常使用的传感器，它的性能好坏会直接影响到系统性能。因此，要选择适

12、当的传感器，不仅要掌握各种类型传感器的结构、原理及性能指标，还必须懂得传感器的信号应该如何获取、处理。现在越来越多的传感器被用于各个领域，且为了提高自身的功效、时效及生产力，各领域的专家们也在自主研发适用于该领域的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。1.1.3 常用温度传感器的分类温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类:接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对

13、于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。非接触式温度传感器，它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸

14、收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。1.1.4 温度测量控制技术的国内外研究现状温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。在温度测量方面各国均取得了很多成果,其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001,理论上可达0.00001,而且在-40230范围内具有温度与频率的线性特性;日本利用所谓石英温度频率转换器-80200的温度范围,最大分辨率达0.0001;美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计,电桥分辨0.0

15、0002;我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001,误差在0.05以内,中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为0.5%,快速响应时间小于0.013s。传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展,其应用范围更加拓展。1)薄膜温度传感器在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、

16、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。2)辐射测温技术随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技术得到了更多的应用。具体表现在:(1)测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展;(2)准确度和稳定性更高;(3)工作波段多样化, 可根据被测对象的特性选择;(4)从点测量发展到二维面测量;(5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点。3)光纤测温技术黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温

17、度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。1.2 基于Pt1000的高精度温度采集系统1.2.1研究意义在工业和医学等诸多领域，高精度的温度测量都有着很广泛的应用。例如在炼铁生产中, 操作人员经常要检测和观察高炉冷却水包的进、出水温差。该温差可反映高炉的完好和运行情况以首钢集团迁安钢铁厂高炉为例, 炉喉冷却水的进、出水温差应该在0. 3

18、0.7 , 如果进、出水温差超出这个范围, 工作人员就要采取相应措施; 如超过0.9 就意味着出现事故, 人员可能就要撤离。因此水温差测量是炼铁过程中的一项重要工作, 水温差测量的精度要求也很高6。在煤矿和火电厂广泛应用的煤质分析仪中，需要对一定质量的煤燃烧后所导致的一定质量的水的温度变化进行精确测量，并根据水温变化幅度对煤的质量进行评估。在医学上用于生命科学研究和基因诊断的PCR(聚合酶链式反应)热循环仪中，也同样需要对水或油的温度变化进行精确的测量。高精度的温度测量能够提高生产的安全性和产品质量。1.2.2待解决的问题精密化学、生物医药、精细化工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，而

19、温度控制的核心正是温度测量。采用铂电阻测量温度是一种有效的高精度温度测量方法，但具有以下难点：引线电阻、自热效应、外部噪声的干扰、元器件漂移和铂电阻传感器精度。其中，减小引线电阻的影响是高精度测量的关键点。对于自热效应，根据元件发热公式P=I2R，必须使流过元件的电流足够小才能使其发热量小，传感器才能检测出正确的温度。但是过小的电流又会使信噪比下降，精度更是难以保证。此外，一些元器件和仪器很难满足元器件漂移和铂电阻传感器精度的要求。1.3本文研究内容 本设计以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为温度采集系统的控制器，首先介绍了热电阻的基本原理，然后依次介绍单片机各个模块的功能，之后又分别简单

20、介绍了CodeWarrior 5.0、Protel DXP及Visual Basic 6.0等软件，最后介绍了温度测量系统的总体设计及其相关模块，另外还设计了整个系统的程序算法。第二章 传感器、单片机及开发工具2.1 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。其中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。2.1.1 热电阻的组成结构金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结构等。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁镍、钨、银等。薄

21、膜热电阻是利用电子阴极溅射的方法制造，可实现工业化大批量生产。其中骨架用陶瓷，引线采用铂钯合金。2.1.2 工作原理热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。2.1.3热电阻接线热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主

22、要有三种方式：二线制、三线制、四线制，如下图所示：图2.1(a) 两线制图2.1(b) 三线制图2.1(c) 四线制 两线制： 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，如图2.1(a)所示。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，r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。 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，如图2.1(b)所示，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。三线制要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平

23、衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知： (2-1)其中r为导线等效电阻，当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。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，如图2.1(c)所示，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。可见这种引线

24、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。四线制是当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。2.2 热电阻Pt1000介绍图2.1 Pt1000温度特性曲线铂电阻传感器是利用金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高，

25、是目前公认制造热电阻的最好材料。但铂在高温下，易受还原性介质的污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系，因此使用时应装在保护套管中。以铂电阻作为温度原件进行测温的关键是要能够准确的测量出铂电阻传感器的电阻值。通常使用的铂电阻温度传感器有Pt100，Pt1000，按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100）、Pt1000（R0=1000）为统一设计型铂电阻。其温度电阻特性是：当-200t0 (2-2)当0 t850 (2-3)Rt为在t时的电阻值，R0为在0时的电阻值。TCR=0.003851时的系数值为：A=3.908310 B=-5.77510

26、C=-4.18310，从图2-2可看出Pt1000铂电阻传感器的线性度不错。2.3 MC9S12XS128单片机 Freescale 公司的16位单片机主要分为HC12 、HCS12、HCS12X三个系列。HC12核心是16位高速CPU12核，总线速度8MHZ；HCS12系列单片机以速度更快的CPU12内核为核心，简称S12系列，典型的S12总线速度可以达到25MHZ。HCS12X系列单片机是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增强型产品，基于S12 CPU内核，可以达到25MHz的HCS12的2-5倍性能。总线频率最高可达40 MHz。S12X系列单片机目前又有几个子系列

27、：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。MC9S12XS128就是S12X系列中的一个成员。 2.3.1 HCS08 微控制器简介 MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。主要功能模块包括： 内部存储器 ； 内部PLL锁相环模块 ；2个异步串口通讯 SCI ； 1个串行外设接口 SPI ； MSCAN 模块 ； 1个8通道输入/输出比较

28、定时器模块 TIM ； 周期中断定时器模块 PIT ；16通道A/D转换模块 ADC ；1个8通道脉冲宽度调制模块 PWM ；输入/输出数字I/O口 。2.3.2时钟模块 MC9S12XS128单片机中有两个不同的时钟，即外部晶振时钟、总线时钟。由于MCU的支撑电路一般需要外部时钟源向MCU提供时钟信号，由于过高频率的外部时钟容易受到干扰，则一般外部时钟选择一般不能使用太高的频率。若要提高系统的运行速率，则可以通过内部的锁相环(PLL)技术来提高系统的总线时钟频率。本系统采用的是16.00MHz的外部晶振，因此外部晶振时钟为16.00MHz；通过相关设置，总线时钟64.00MHz，外部晶振时钟

29、的倍、分频关系由PLL的先关寄存器决定。总线时钟用作片上外围设备的同步，它决定了指令执行的速度。具体设置过程可以参考MC9S12XS128数据手册。2.3.3看门狗看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就回给出一个复位信号到RST使MCU复位,防止MCU死机使程序运行的更加稳定，可以在程序溢出的情况下重启，不会因为外界的干扰（静电、电磁干扰等）而死机。2.3.4中断模块中断系统是M

30、CU实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部的事件发生时，中断系统将迫使CPU暂停当前执行的程序转而去进行中断事件的处理，等到中断事件处理完毕后，又返回断点处继续执行。MCU在进行实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送时往往采用中断系统。中断系统的应用大大提高了计算机效率。不同的计算机其硬件结构和软件指令是不完全相同的，因此，中断系统也是不相同的。计算机的中断系统能够加强CPU对多任务事件的处理能力。中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一，它在系统中起着通信网络作用，以协调系统对各种外部事件的响应和处理。MC9S12XS128基本上每个模块都带了中断，本系统用到

31、SCI中断（串口中断）。2.3.5串口通讯SCI模块从基本原理的角度看，串行通信接口SCI的主要功能是：接收时，把外部的单线输入的数据变成一个字节的并行数据送入MCU内部；发送时，把需要发送的一个字节的并行数据转换为单线输出。为了设置串口通讯的波特率，SCI应具有波特率寄存器。为了能够设置通信格式、是否校验、是否允许中断等，SCI应具有相应的控制寄存器。而要知道串口是否有数据可收、数据是否发送出去等，需要有SCI状态寄存器。当然，若一个寄存器不够用，控制与状态寄存器可能有多个。而SCI数据寄存器存放要发送的数据，也存放接受的数据，这并不冲突，因为发送与接收的实际工作是通过“发送移位寄存器”和“

32、接收以为寄存器”完成的。编程时，程序员并不直接与“发送移位寄存器”和“接收移位寄存器”打交道，只与数据寄存器打交道，所以MCU中并没有设置“发送移位寄存器”和“接收移位寄存器”的映像地址。发送时，程序员通过判定状态寄存器的相应位，了解是否可以发送一个新的数据。若可以发送，则将待发送的数据放入“SCI数据寄存器”中就可以了，剩下的工作由MCU自动完成：将数据从“SCI数据寄存器”送到“发送移位寄存器”，硬件驱动将“发送移位寄存器”的数据一位一位地按照规定的波特率移到发送引脚TxD，供对方接收。接收时，数据一位一位地从接收引脚RxD进入“接收移位寄存器”，当收到一个完成字节时，MCU会自动将数据送入“SCI数据寄存器”，并将状态寄存器的相应位改变，供