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课程设计报告

智能温度测量仪

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文献综述

----智能温度测量仪

摘要：

本文主要介绍了智能温度测量仪的设计，包括硬件和软件的设计。

先对该测量仪进行概括性介绍，然后介绍该测量仪在硬件设计上的主要器件：

“Pt100热电阻”、AT89C51单片机和LCD显示器以及描述测量仪的总体结构原理。

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。

总体来说，该设计是切实可行的。

关键词：

温度；Pt100热电阻；AT89C51单片机；LCD显示器。

Abstract:

Thispaperdescribesthedesignoftheintelligenttemperaturemeasuringinstrument,includinghardwareandsoftwaredesign.Bethefirstgeneraldescriptionofthemeasuringinstrument,andthendescribesthehardwaredesignofthemeasuringinstrument'smaindevice:

"Pt100thermalresistance",AT89C51microcontrollerandLCDdisplay,anddescribetheprincipleofmeasuringtheoverallstructure.Inthisdesign,asisthePT100platinumresistancetemperaturesensor,temperaturemeasurementusingconstantcurrentmethod,throughthemicrocontrollertocontrol,amplifier,A/Dconverterfortemperaturesignalacquisition.Overall,thedesignisfeasible.

Keywords:

temperature;Pt100thermalresistance;AT89C51microcontroller;LCDmonitor.

引言：

温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量，也是工业控制中主要的被控参数之一。

对温度的测量与控制在现代工业中也是运用的越来越广泛。

而传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。

因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。

另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。

温度传感器是其中重要的一类传器。

其发展速度之快，以及其应用之广。

并且还有很大潜力为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。

本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。

文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以及实现热电转换的原理过程。

本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数据处理与控制模块，温度显示五个部分。

文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。

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。

Pt100温度传感器

温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。

在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。

常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。

近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显着优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。

热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。

常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。

热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。

目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。

本设计的要求是采用“Pt100”热电阻，测温范围是-200~+600℃，精度%，具体的型号选为WZP型铂电阻。

AT89C51单片机

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

LCD显示器

液晶显示器是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。

和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。

由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。

对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。

LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。

　从液晶显示器的结构来看，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。

LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。

因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关。

背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。

而在早期的液晶显示器中，因为只使用2个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。

一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。

信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。

实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。

响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。

有些厂商会通过将液晶体内的导电离子浓度降低来实现信号的快速响应，但其色彩饱和度、亮度、对比度就会产生相应的降低，甚至产生偏色的现象。

这样信号反应时间上去了，但却牺牲了液晶显示器的显示效果。

有些厂商采用的是在显示电路中加入了一片IC图像输出控制芯片，专门对显示信号进行处理的方法来实现的。

IC芯片可以根据VGA输出显卡信号频率，调整信号响应时间。

由于没有改变液晶体的物理性质，因此对其亮度、对比度、色彩饱和度都没有影响，这也是为什么华硕、三星、LG等技术型厂商的液晶产品画面效果更好的原因，但是这种方法的制造成本也相对较高。

系统总体设计介绍

测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机AT89C51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到LCD显示器进行显示。

本设计系统主要包括温度信号采集单元，单片机数据处理单元，温度显示单元。

其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A/D转换电路。

系统的总结构框图如图1-1所示。

1-1系统的总结构框图

本温度测量系统设计，是采用PT100温度传感器经过放大和A/D转换器送到单片机进行控制温度显示。

另外本系统还可以通过外接电路扩展实现温度报警功能，从而更好的实现温度现场的实时控制。

经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要求，由于受人为因素和软硬件的限制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减小误差。

通过本次温度测量系统的设计，我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深入的学习。

在整个设计的过程中，本设计的重点和难点是：

怎样将PT100热电阻的非电量信号转换为单片机单片机能识别的电量信号，其中的信号如何放大及放大倍数的确定等等。

课程设计报告

硬件设计

PT100传感器特性和测温原理

电阻式温度传感器（RTD,ResistanceTemperatureDetector）是指一种物质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。

PT100温度传感器是一种以铂（Pt）做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～600℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2）

在-200～0℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）

式中A、B、C为常数，

A=×10-3；

B=×10-7；

C=×10-12；

由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro（1+αT）

其中α=,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。

PT100温度传感器的测量范围广：

-200℃～+600℃，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，本设计即采用PT100作为温度传感器。

主要技术指标：

1.测温范围：

-200～600摄氏度；2.测温精度：

摄氏度；3.稳定性：

摄氏度

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。

采用Pt100测量温度一般有两种方法：

1、设计一个恒流源通过Pt100热电阻，通过检测Pt100上电压的变化来换算出温度；

测温原理：

通过运放U1A将基准电压转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为10），即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。

根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“+”端和“-”端电位V+＝V-＝；假设运放U1A的输出脚1对地电压为Vo，根据虚断概念，（0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt100＝0，因此电阻Pt100上的压降VPt100＝Vo-V-＝V-*RPt100/R1，因V-和R1均不变，因此图1虚线框内的电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V-/R1，Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻值有关。

设计及调试注意点：

1.等效恒流源输出的电流不能太大，以不超过1mA为准，以免电流大使得Pt100电阻自身发热造成测量温度不准确，试验证明，电流大于将会有较明显的影响。

2.运放采用单一5V供电，如果测量的温度波动比较大，将运放的供电改为±15V双电源供电会有较大改善。

3.电阻R2、R3的电阻值取得足够大，以增大运放的U1B的输入阻抗。

图1恒流源式测温电路

由于封装问题，实际原理图如下：

方案二：

采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。

测温原理：

电路采用TL431和电位器VR1调节产生的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。

差动放大电路中R3＝R4、R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。

设计及调试注意点：

1.同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；

2.改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求

3.放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。

4.VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调至Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。

测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。

5.理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为*（RPt100/（R1+RPt100）-RVR2/（R1+RVR2））

（1）式中电阻值以电路工作时量取的为准。

6.电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据式

（1）进行计算得知。

图2三线制接法桥式测温电路

放大电路的设计

本次放大电路我选用的是LM358,其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358特性（Features）:

·内部频率补偿　　

·直流电压增益高（约100dB）　　

·单位增益频带宽（约1MHz）　　

·电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±一±15V）　　

·低功耗电流，适合于电池供电LM358

·低输入偏流　　

·低输入失调电压和失调电流　　

·共模输入电压范围宽，包括接地　　

·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围　　

·输出电压摆幅大（0至

信号调理电路

调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中A/D转换器能识别的信号，作为本系统，由于温度传感器是热电阻PT100，因此调理电路完成的是怎样将与温度有关的电阻信号变换成能被A/D转换器接受的电压信号。

A/D转换器的选择与设计电路

在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，则需要将其转换成数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。

根据A/D转换器的工作原理，常用的A/D转换器可分为两种，双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。

1.双积分A/D转换器工作原理

双积分A/D转换器采用间接测量的方法，它将被测电压转换成时间常数T，双积分A/D转换器由电子开关，积分器，比较器，计数器和控制逻辑等部分组成。

所谓双积分就是进行一次A/D转换需要两次积分。

电路先对被测的输入电压Vx进行固定时间（T0）的正向积分，然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接参考电压Vr，由于参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的，所以反向积分的斜率是固定的，从反向积分开始到结束，对参考电压进行反向积分的时间T,正比于输入电压。

输入电压越大反向积分时间越长，用高频标准脉冲计数测此时间，即可得到相应于输入电压的数字量。

特点：

可以有效的消除干扰和电源噪声，转换精度高，但是转换速度慢。

2.逐次逼近型A/D转换器工作原理

逐次逼近型A/D转换器由D/A转换环节，比较环节和控制逻辑等几部分组成。

其转换原理为：

A/D转换器将一待转换的模拟输入电压Ui与一个预先设定的电压Ui（预定的电压由逐次逼近型A/D转换器中的D/A输出获得）电压相比较，根据预设的电压Ui是大于还是小于待转换成的模拟输入电压Uin来决定当前转换的数字量是“0”还是“1”，据此逐位比较，以便使转换结果（相应的数字量）逐渐与模拟输入电压相对应的数字量接近。

在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用德州仪器公司生产的4通道12位串行输出采样模数转换器ADS7841。

具体连线如下图所示：

单片机控制电路

本设计是采用AT89C51单片机作为主控电路，AT89C51单片机是Atmel公司的产品，与Intel公司的MCS51系列兼容。

在AT89C51单片机内部有作为程序存储器的Flash存储器，其容量为4KB,可以承受不低于1000次的反复擦写，调试比较方便。

其中P1口为A/D转换器的通信端口，P2口为按键控制，P0口为LCD的数据端口，具体电路图如下：

按键和显示电路

本次设计使用4x4矩阵键盘，将其行线以及列线接到单片机的P2口，其中列线接上拉电阻然后在通过异或逻辑门在接至单片机的到口。

具体连线如下图所示：

显示电路

本次设计使用LCD12864来显示温度采集结果，其中将LCD的数据口接入单片机的P0口，具体接线如下图所示：

软件设计

系统软件设计说明

进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。

因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。

对于本系统，软件设计更为重要。

在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。

数据处理包括：

数据的采集、数字滤波、标度变换等。

过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。

软件设计主要是对温度进行采集、显示,通过按键操作，进行时间的设置与修改。

因此，整个软件可分为温度采集子程序、时钟读取程序、按键子程序、显示子程序、及系统主程序。

软件的有关算法

1、最小二乘理论获取温度―电阻公式

根据误差理论，我们要获得较高精度的温度测量值，办法一般有2个，要么采用查表法，要么建立高精度的数学模型。

如果用查表法，主要有2个问题，如果要提高测量精度，则需要建立大量的表格，而且得提前做大量得试验来进行多点校正，还有一个问题是程序的通用性差，这台仪器上校正好得数据可能在另一台上不合适。

而采用已知的分度表，建立数学模型，然后通过工程量（标度）变换，通过测量A/D转换的结果后计算得到。

这里我们考虑第2种方法的优点，首先采用分段的方法，将测量范围分段，然后查出该段的数学模型的各个系数，然后计算出温度值，这里，由于时间的关系，我们对整个测量范围分了3段，分别为0－49℃、50－70℃、71－100℃，利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的数学模型系数。

同时，可通过再将标度值代入可粗略估计在各个测量段内的最大误差值。

我们通过最小二乘法进行线性拟合，得到如下的数学模型为：

T1=0-49℃

T2=50－70℃

T3=71－100℃

上述3个数学模型中，最大的理论误差值都小于℃，能够满足精度要求，实际上如果有足够的时间，我们完全可以分得再细一些，这样理论的误差将会变得更小。

2、标度变换公式的获取

根据上述的线性拟合结果：

T=A·R-B，这里的A、B是上述不同温度段的系数，而R值由于在输出为0V时，实际上有个对应于100欧姆的偏置电路，因此根据R-R0=U/I，而I=，而AD/U/G=4096/，这里的AD值为A/D转换得结果G为放大器的增益，本设计中的二级放大器放大的倍数为80倍。

将上述条件代入得：

T=A··AD/4096/G/I+100）-B

软件的流程图

图1系统总流程图图2温度转换程序流程图

图3显示流程图图4主函数流程图

主程序

ADS7841驱动程序

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能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M]，西安电子科技大学出版社，2001年；

【6】周航慈.单片机应用程序设计[M]，北京航空航天大学出版社，1991年；

【7】李建民.单片机在温度控制系统中的应用[M]，江汉大学学报，1996年。

附录1WZP型铂热电阻（Pt100）分度特性表（-140℃~+140℃）

温度

℃

电阻值（Ω）

-200

-140

-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

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