温度传感器课程设计.docx

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温度传感器课程设计

华南师范大学增城学院

课程论文

题目：

智能温度测量装置

课程名称传感器与检测技术

考查学期2013/2014学年第1学期

考查方式课程论文

姓名

学号

专业应用电子

成绩

指导教师

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。

关键词：

温度；Pt100热电阻；AT89C51单片机；LCD显示器。

一、创作背景：

随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

因此，了解并掌握各传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

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感器。

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。

二、元件选择与说明

2.1Pt100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，这些芯片的显著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±0.5℃,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0.5%，具体的型号选为WZP型铂电阻。

2．2AT89C51单片机

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。

2.3运算放大器

本次设计采用的运算放大器是LM324N。

LM324N为四运放集成电路（图4），采用14脚双列直插塑料封装。

内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。

电路功耗很小，LM324N工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。

它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。

每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

2.4A/D转换电路

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称d/a转换器或）；a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺的组成部分，为确保系统处理结果的精确度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。

转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。

随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。

2.5LCD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。

三、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所示。

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。

四、软件设计

4.1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。

4.2软件的有关算法

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=2.5772R-257.77080-49℃

T2=2.6366R-267.0150－70℃

T3=2.7206R-281.9071－100℃

上述3个数学模型中，最大的理论误差值都小于0.5℃，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。

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=2.500V/1.500K，而AD/U/G=4096/4.900V，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·（4.9·AD/4096/G/I+100）-B

4.3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

五、课程设计心得体会

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。

这次毕业设计历时两周，从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。

在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了时候可以请教同学或指导老师。

虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。

通过本次毕业设计，我了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握单片机的开发应用和编程控制。

为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并在这种能力上得到了比较充分的锻炼。

通过这次课程设计，我们对现代仪器的设计过程有了更为清晰的认识，尤其锻炼了我们的动手能力，解决实际困难的能力和团队合作能力。

感谢给予我们宝贵意见的老师以及其两位研究生，他们耐心的指导使得我们能够顺利完成本次温度仪器的课程设计。

除此以外，还要感谢齐心协力、配合默契的小组成员和给予我们帮助与支持的非小组成员的各位同学。

六、参考文献

[1]张靖武，周灵彬.单片机原理，应用与PROTEUS[M].电子工业出版社.2008年.

[2]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津大学出版社.2005年.

[3]秦志强.C51单片机应用与C语言程序设计[M].电子工业出版社.2010年.

[4]杨居义，杨晓琴，王益斌.单片机课程设计指导[M].清华大学出版社.2009年.

[5]张俊謨.单片机中级教程[M].北京航空航天大学出版社.2006年.

[6]李志全.智能仪表设计原理及应用[M].国防工业出版社.1998年.

[7]郑建国.高精度的铂电阻温度测量方案[M].清华大学出版社.1997年.

[8]杨振江.智能仪器的新器件应用[M].西安电子科技大学出版社.2001年.

课程论文成绩评定表

成绩评定：

指导教师签名：

年月日