基于PT100智能温度测量仪表的硬件电路设计.docx
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基于PT100智能温度测量仪表的硬件电路设计
前言
温度测控在许多场合均有应用，是一个典型的工程以用题目，实现难度不大，但工作量大，涉及知识点多，是对学生软硬件知识的一个锻炼，也使学生对设计嵌入式应用系统的过程及方法有一个全面的了解。
本课程设计是利用现有的环境，是基于AT89C51单片机对温度进行控制的，采用PT100温度传感器采集温度数据，通过仪用放大器将温度信号放大，然后再送入A/D转化器，将模拟信号转变成便于单片机处理的数字信号，当所采集到的温度值大于设定的阀值时，可在显示屏上进行告警提示，并通过串口向单片机发送指令，单片机收到指令后控制蜂鸣器发音。
同时可以使用外界键盘随时修改温度设定值，达到不同的需求。
体现出了系统的智能性。
第1章智能温度测量仪表方案设计与论证
1.1功能与要求
功能：
下位机利用单片机对温度传感器采集到的温度定时采样，并在数码管上显示采集到的实时温度值，同时将采集到的温度数据通过串口线传送到上位PC机上；上位机能在屏幕上显示温度数据，若温度超过设定值，在显示屏上进行告警提示，并通过串口向单片机发送指令，单片机收到指令后控制蜂鸣器发音。
同时可以使用外界键盘随时修改温度设定值，达到不同的需求。
要求：
1、测温范围1—299。
C；测温精度：
1
；2、能够进行调零；
3、可以利用外界键盘随时修改温度设定值；4、可以进行报警提示。
1.2方案论证与比较
方案一：
采用DS1820数字传感器采集温度数据，然后送入单片机进行数据处理。
电路图如图1所示：
图1.温度采集电路图
DS1820数字传感器是一个3脚的芯片，1脚为接地，2脚为数据输入输出，3脚为可选的VCC电源。
通过一个单线接口发送或接收数据，因此单片机与DS18B20之间仅需一条连线（加上地线）。
作为温度采集芯片，可直接将采集值进行处理得到数字量送入单片机数码管显示并通过串口送至上位机。
采用此芯片做温度采集，使得硬件电路结构简单，同时也避免了使用多级电路出现前后级阻抗不匹配的问题，不但节约了硬件部分的成本，提高了采集数据的可靠度。
方案二：
采用Pt100铂热电阻温度传感器采集温度数据，Ptl00铂电阻具有抗震性能好、测温范围广、测量精度高、机械强度高、耐压性能好等特点,且电阻率较大,其电阻R，与温度t的关系为正比例系数的单调函数，实际测量中有良好的重复性。
PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。
方案比较：
由于PT100是一种广泛应用的测温元件,在-50℃~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势,包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等优点。
DS18B20虽为数字温度传感器，具有可编程、A/D转换等优点但是它的测温范围为－55℃～＋125℃，不满足课题设计的要求，故最终选择PT100温度传感器采集温度数据。
1.3方案的确定
经过两种方案的比较，最终选定PT100作为温度传感器。
PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。
由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差。
原理如下：
PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻（Rpt100）作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥的电源端，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。
第2章智能温度测量仪表的硬件设计
2.1系统硬件框图如图2所示
图2.系统硬件框图
其工作过程为：
下位机的单片机定时采集温度传感器所感应到的被测对象的表面，并将采集的温度数据显示在数码管上，同时通过串口传送到上位机。
上位机收到下位机传送来的温度数据，在显示屏上显示，同时与上位机软件设置的告警温度阀值相比较，若高出，则在屏幕上进行告警提示，同时通过串口向下位机的单片机发送告警指令，单片机收到该指令后，控制蜂鸣器发音，进行告警提示。
对于告警的阀值，可以使用外界键盘进行人为的设定。
2.2温度采集与放大电路的设计
采用PT100三线制接法作为温度采集部分，放大器电路，选用仪表放大器AD626差分放大器。
因为我们测量的范围为100~300℃，热电阻桥电路出来的电压为几mV，数据量比较小，采用仪表放大器可以比较精确的得到想要放大的倍数，出现较小的误差。
为了满足ADC模数转换的电压需要（0~5V），需要把小信号放大。
AD626的设定放大倍数为100倍。
如下图即为AD626放大电路，Ui1和Ui2为桥电路输出电压，Vout1为放大后输出电压值。
电路如图3所示：
图3.温度采集与放大电路电路图
2.3调零电路的设计
为了能在ADC采样后得到的数字值是从零开始。
需在放大电路后面加调零电路。
采用INA2132差分大器。
INA2132是一种经济型、双路、低功耗单位增益的差分电路，具有高精度光调电阻的运算放大器组成，因此可以提供高精度的增益和较高的共模抑制比。
如图3，AD626放大电路单端输出的Vout1电压是0~5V之间。
工作原理是当+IN的电压值大于-IN则输出端Vout1输出为正，反之则输出为负。
Vout1是INA2132双端输入的正端，负端接一个滑动变阻器组成的电路。
调节滑动电阻器阻值可以调节INA2132的-IN端的输入值，达到调零电路的作用。
调零电路如图4所示
图4.调零电路图
在图4中，用一个小电阻R5接在R1的回路中，此时R3与R5分压产生的失调电压加到R1的左端，进而由R1和R2再次分压．因而失调电压调整范围由下式确定：
失调电压调整范围=±VD·（R5／R3）·（R2／（Rl+R2））（±VD=±l5V）依据图中的电阻值，其失调电压调整范围约为：
±15mV。
2.4A/D转换电路的设计
从Out2输出信号是0~5V间的模拟电压信号，需要经过A/D转换之后将其变成数字信号再输入到单片机内进行处理，单片机可对采集进来的温度数据与所设定的阀值进行比较，然后再控制后面的执行部件。
将Out2输出的信号输入到ADC0809的port端口，电路图如图5所示：
图5.A/D转换电路图
2.5单片机最小系统
要使单片机工作起来，主要是给单片机增加上电复位电路和外接一个晶振。
上电的瞬间，电流有一个突发的向上的尖峰脉冲，因此电流能通过C3电容到达AT89C51的复位端口RESET对AT89C51进行复位。
尖峰过后之后，电流平稳，电容C3阻止电流的通过，这样可以防止对AT89C51反复进行复位。
电阻R2是用于给C3放电的，并将一号管脚拉低，防止RESET端口上持续高电平。
给AT89C51提供一定的时钟频率以后，AT89C51才能开始工作。
如图6，这个振荡电路与AT89C51内部的时钟振荡器一起组成完整的时钟频率发生电路，XTAL1为AT89C51内部时钟振荡器的输入端，XTAL2为AT89C51内部时钟振荡器的输出端，XTAL为晶振，起到选择振荡频率的作用，这里使用的时钟频率为12MHz。
C1、C2为振荡补偿电容，起到放宽起振频率，让时钟容易起振的作用。
电路如图6所示：
图6.单片机最小系统图
2.6人机接口电路的设计
它主要由四位一体数码显示管、4*4矩阵键盘和CH451芯片构成，用于实现系统的温度显示与温度设定功能。
在该人机接口电路的设计中，CH451为该模块电路的核心器件，功能相对完善。
CH451不仅能有效的将采集到的温度值通过数码管进行实时显示；并且还能控制矩阵键盘，读取通过按键获得的温度设定值，一方面可将设定值直接显示，另一方面还能传输给单片机；同时通过CH451芯片控制键盘输入和数码显示，还可有效的节省单片机P口的使用，方便单片机的扩展设计。
其设计的原理图如图7所示：
图7.人机接口电路图
该人机接口电路采用LG3641AH型四位一体共阴极数码管进行显示，由于LG3641AH为共阴极数码管，A-H管脚上若输出高电平，则相应段码被点亮。
为了避免单片机输出的高电平电压过高使数码管烧坏，应分别在A-H管脚上接200
电阻分压。
LG3641AH七段LED码如下表1所示：
表1.LG3641AH共阴极断码表
2.7串口驱动电路的设计
单片机AT89C51支持串口通信，它提供的是CMOS电平的串口数据，但PC机进行串口通信时其COM口出来的信号是RS—232协议的串口数据电平，同时由于串口数据传输距离较远，需要加驱动电路，因此需要两者之间加转换芯片。
电路如图8所示：
图8.串口驱动电路图
2.8报警电路的设计
上位机把下位机传送来的测量温度值与预选设置的告警阀值进行比较，若大于，则通过串口向单片机发送告警指令，单片机收到告警指令后，使P1.7脚为高电平，驱动蜂鸣器发音，进行温度告警，蜂鸣器驱动电路如图9所示：
图9.报警电路图
第3章软件设计
3.1上位机软件设计
上位机程序主要完成与下位机的串口通信，显示并存储下位机传送来的温度数据，并将下位机送来的温度数据与已经设置好的温度值进行比较，若大于设定值，在上位机屏幕上显示告警提示，同时向下位机发送控制命令，下位机收到控制命令后，控制蜂鸣器发音进行警示。
上位机程序流程图如图10所示：
图10.上位机程序流程图
3.2下位机软件设计
下位机主要完成从温度传感器上采集数据，将采集的数据在LED数码管上显示，同时将采集的温度数据传送到上位机，并根据上位机的命令驱动蜂鸣器发出警报。
下位机主程序流程图如图11所示：
温控系统开机后，首先对CH451进行初始化，然后自动采集实时温度并在数码管上显示；矩阵键盘中的A键为设定温度的功能键，若按下A键则可随来时设定温度；随后单片机会不断将实时温度值与设定温度值进行比较，若实时温度值小于设定温度值，则表示该温控系统工作在正常的加热状态，若温度超过了设定值，则在显示屏上进行告警提示，并通过串口向单片机发送指令，单片机收到指令后控制蜂鸣器发音，以表明设定的温度值已达到。
图11.下位机主程序流程图
第4章温度控制系统的安装与调试
4.1硬件调试
4.1.1安装
首先按电路图焊接好电路，在上电之前，用万用表检查线路是否焊接正常，检测是否存在虚焊或短路的点，然后将芯片插到相应的管脚上，将单片机最小系统与焊接的电路用杜邦线连接好，再将数据线插到电路的PC机上。
4.1.2.调试
调试主要是用万用表检查线路是否连接是否正确，是否存在短路与虚焊的点。
要是这些故障都能够排除在外，再将芯片插到相应的管脚上，硬件调试完毕。
4.2软件调试
按照主程序流程进行软件的编写，软件编写中的许多细节问题并不是在编写程序的时候能够检查出来的，需要一步一步的调试，通过不断的调试程序，加深了对汇编语言和硬件结构的理解。
可以先使用仿真器进行程序调试，通过查看寄存器的状态变化及端口输出的情况，以确认程序设计与预期结果一致。
在程序调试、编译和链接成功后，通过烧录软件将程序烧录到单片机中，随后将单片机插入电路板，给电路板加电运行，观察结果。
4.3系统整体调试
整个系统在经过软硬件调试成功并正常加载程序运行后即可按流程来调试。
调试过程中需观察到数码管上显示正确的温度值，以及可以用键盘修改设定的温度阀值，同时继电器能够根据不同的温度阀值进行相应的动作。
在调试过程中，出现了两个问题，第一个：
数码管的f段一直处于高电平状态，导致显示的。
C这个字符错误，经过对硬件电路的检测，发现有个连接数码管的电阻被短接了，故障得以排除，数码管的温度显示正常，第二个：
当修改温度的设定值后，继电器不发生动作，经过对硬件电路的检查，发现继电器二脚没有连接8550的集电极，故障得以排除，最终电路处于正常的工作状态，一切功能都能够实现，系统的整体调试完毕。
第5章设计体会与小结
刚确定用PT100做智能温控系统课程设计任务时，自己真的是一头雾水不知怎么下手，经过进图书馆、上网查资料自己了解到了许多，现在经过一个星期的努力自己的温控系统已经基本成型。
但由于自己水平的有限，此设计任务仍有许多不足之处。
这次课程设计只是知识的综合性比较强，但实际上并不是很难，主要的困难在于编写软件程序来实现硬件的诸多功能。
这次课程设计让我深入了解了单片机的一些强大功能，同时使我认识到，设计一个复杂的系统时，首先要建立一个大的框架，然后将这个大框架分成一些小模块进行分别设计，最后将这些模块组装起来进行调试，解决存在的问题，最终使得电路能够正常工作。
通过这次课程设计，让我充分认识到自己的实践经验太欠缺，这是在以后的学习当中值得注意的，在焊接电路板的时候细节是非常重要的，一定要有序的去焊接电路，同时要养成一个好的习惯，在对硬件电路上电之前，一定要用万用表检查线路是否连接正常。
通过此次设计，发现自己仍然还有许多不足之处，发现自己的知识是非常欠缺的，自己的动手能力也不强。
自己清醒的认识到该怎么办，自己应该好好的反省一下，该好好的投入学习中，多一点时间用在学习中，把所学知识都好好的掌握，并很好的利用。
在以后的学习和生活中，自己多找机会锻炼一下，使自己的动手能力得以很大的提高。
从而是自己各方面的能力得到很好的发展，为自己以后很好的工作打下坚实的基础。
总之，这次课程设计对于我们有很大的帮助，通过课程设计，我更加深入地理解了单片机的功能，以及引脚的作用，同时加深了对于主要芯片的应用的认识，同时在试验室的环境里熟悉了汇编程序的编写过程和运行过程，并提高了自己的动手能力。
最后衷心的感谢老师的悉心指导。
参考文献
【1】华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编.电子技术基础（数字部分）.第五版.北京：
高等教育出版社，2006
【2】李群芳等.单片微型计算机.北京：
电子工业出版社，2007
【3】李志全等.智能仪表设计原理及其应用.北京：
国防工业出版社，2000
【4】赵茂泰.智能仪器原理及应用.北京：
国防工业出版社，1998
【5】孙传友等.测控系统原理与设计.北京：
北京航空航天大学出版社，2005
附录
Pt100热电阻分度表
温度
℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
电阻值（Ω）
0
10
20
30
40
100.00
103.90
107.79
111.67
115.54
100.39
104.29
108.18
112.06
115.93
100.78
104.68
108.57
112.45
116.31
101.17
105.07
108.96
112.83
116.70
101.56
105.46
109.35
113.22
117.08
101.95
105.85
109.73
113.61
117.47
102.34
106.24
110.12
114.00
117.86
102.73
106.63
110.51
114.38
118.24
103.12
107.02
110.90
114.77
118.63
103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90
119.40
123.24
127.08
130.90
134.71
119.78
123.63
127.46
131.28
135.09
120.17
124.01
127.84
131.66
135.47
120.55
124.39
128.22
132.04
135.85
120.94
124.78
128.61
132.42
136.23
121.32
125.16
128.99
132.80
136.61
121.71
125.54
129.37
133.18
136.99
122.09
125.93
129.75
133.57
137.37
122.47
126.31
130.13
133.95
137.75
122.86
126.69
130.52
134.33
138.13
100
110
120
130
140
138.51
142.29
146.07
149.83
153.58
138.88
142.67
146.44
150.21
153.96
139.26
143.05
146.82
150.58
154.33
139.64
143.43
147.20
150.96
154.71
140.02
143.80
147.57
151.33
155.08
140.40
144.18
147.95
151.71
155.46
140.78
144.56
148.33
152.08
155.83
141.16
144.94
148.70
152.46
156.20
141.54
145.31
149.08
152.83
156.58
141.91
145.69
149.46
153.21
156.95
150
160
170
180
190
157.33
161.05
164.77
168.48
172.17
157.70
161.43
165.14
168.85
172.54
158.07
161.80
165.51
169.22
172.91
158.45
162.17
165.89
169.59
173.28
158.82
162.54
166.26
169.96
173.65
159.19
162.91
166.63
170.33
174.02
159.56
163.29
167.00
170.70
174.38
159.94
163.66
167.37
171.07
174.75
160.31
164.03
167.74
171.43
175.12
160.68
164.40
168.11
171.80
175.49
200
210
220
230
240
175.86
179.53
183.19
186.84
190.47
176.22
179.89
183.55
187.20
190.84
176.59
180.26
183.92
187.56
191.20
176.96
180.63
184.28
187.93
191.56
177.33
180.99
184.65
188.29
191.92
177.69
181.36
185.01
188.66
192.29
178.06
181.72
185.38
189.02
192.65
178.43
182.09
185.74
189.38
193.01
178.79
182.46
186.11
189.75
193.37
179.16
182.82
186.47
190.11
193.74
250
260
270
280
290
194.10
197.71
201.31
204.90
208.48
194.46
198.07
201.67
205.26
208.84
194.82
198.43
202.03
205.62
209.20
195.18
198.79
202.39
205.98
209.56
195.55
199.15
202.75
206.34
209.91
195.91
199.51
203.11
206.70
210.27
196.27
199.87
203.47
207.05
210.63
196.63
200.23
203.83
207.41
210.98
196.99
200.59
204.19
207.77
211.34
197.35
200.95
204.55
208.13
211.70
300
310
320
330
340
212.05
215.61
219.15
222.68
226.21
212.41
215.96
219.51
223.04
226.56
212.76
216.32
219.86
223.39
226.91
213.12
216.67
220.21
223.74
227.26
213.48
217.03
220.57
224.09
227.61
213.83
217.38
220.92
224.45
227.96
214.19
217.74
221.27
224.80
228.31
214.54
218.09
221.63
225.15
228.66
214.90
218.44
221.98
225.50
229.02
215.25
218.80
222.33
225.85
229.37
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