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基于热敏电阻的数字温度计课程设计

发布时间:2019-04-07 19:32:11 编辑: 浏览次数: 打印此文

  基于热敏电阻的数字温度计课程设计_其它_计划/解决方案_实用文档。郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 目录 1 绪论 1 2 系统硬件电路设计 3 2.1 测温电桥电路 3 2.2 信号放大电路………...………………………………............

  郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 目录 1 绪论 1 2 系统硬件电路设计 3 2.1 测温电桥电路 3 2.2 信号放大电路………...………………………………................................6 2.3 AD 转换电路………………………………………..…………….....................7 2.4 控制电路………………………………………..………................................9 2.5 声光报警电路………………………………………………………………………10 2.6 显示电路………………………………………………………………………………11 2.7 电源电路………………………………………………………………………………12 3 系统软件设计 15 4 总结与展望…………………………………………………………………………16 参考文献……………………………………………………………..……………………………..17 0 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 1 概述 随着以知识经济为特征的信息化时代的到来人们对仪器仪表的认识更加深 入,温度作为一个重要的物理量,是工业生产过程中最普遍,最重要的工艺参数 之一。随着工业的不断发展,对温度的测量的要求也越来越高,而且测量的范围 也越来越广,对温度的检测技术的要求也越来越高,因此,温度测量及其测量技 术的研究也是一个很重要的课题。 目前温度计按测使用的温度计种类繁多,应用范围也比较广泛,大致可以包 括以下几种方法: 1, 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 2, 利用热电效应技术制成的温度检测元件 3, 利用热阻效应技术制成的温度计 4, 利用热辐射原理制成的高温计 5, 利用声学原理进行温度测量 本系统的温度测量采用的就是热阻效应。 温度测量模块主要为温度测量电桥, 当温度发生变化时,电桥失去平衡,从而在电桥输出端有电压输出,但该电压很 小。 将输出的微弱电压信号通过 OP07 放大, 将放大后的信号输入 AD 转换芯片, 进行 A/D 转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被 测温度显示出来。 系统硬件原理图如图 1—1 单 AD 测 温 模 块 信 号 放 大 模 块 转 声光 报警 模块 换 模 块 片 显 示 模 块 机 电 源 模 图 1—1 系统框图 块 1 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 系统硬件原理图如图 1—1 所示,由热电阻传感器测的外界温度,经过信号 放大, 然后送给模数转换, 将原有的模拟信号转换为可以贝单片机识别和运算的 数字信号,然后在通过软件编程通过显示电路显示出来当前所测得的温度。 它的各部分电路说明如下: (1).测温模块: 该部分电路主要使用测温电桥,当温度变化时,电桥处于不平衡状态,从而 输出不平衡电压,为测温的基础。 (2).信号处理部分: 该部分电路包括电压信号的放大和 AD 转换, 实现模数变换, 以及硬件滤波。 (3).单片机部分: AT89C51 单片机系统是数字霍尔电流表的核心部分,主要任务有:控制 TLC2543,为其提供合适的时序,使其正常工作和采集模数转换后的数字信号, 使用软件滤除干扰,并对数字信号进行计算,然后输出显示。 (4).电源电路部分: 该部分电路负责将输入的 9V~12V 直流电,分别转换为稳定的 9V、5V、-9V 直流电,给传感器,放大电路,单片机,TLC2543 等供电。 (5).显示电路,声光报警电路: 显示电路的作用是将测量的温度实时显示出来,当测量温度超过限定值时报 警电路将发出声光进行报警。 2 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 2 数字温度计系统硬件电路设计 系统由五大部分组成: (1)测温电桥温量电路; (2)数据采集,滤波,放大, AD 转换电路; (3)单片机 AT89C51 控制及数据计算电路; (4)电源电路; (5) 温度实时显示电路和声光报警电路。 2.1 测温电桥电路 本次课程设计的测温电路为测温电桥,测温电桥的主要部分是热敏电阻。 热敏电阻的主要特点是:①灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大 10~100 倍以上,能 检测出 10-6℃的温度变化;②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件 适用温度高于 315℃ (目前最高可达到 2000℃) , 低温器件适用于-273℃~55℃; ③体积小, 能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;④使用方便,电阻值 可在 0.1~100kΩ 间任意选择;⑤易加工成复杂的形状,可大批量生产;⑥稳定性好、过 载能力强。 本次设计采用的是正 温度系数的热电阻PT100, 它是最常用的温度传感器 之一, 与其他热敏电阻相比, 它的主要优点是测量精度 高(可精确到0.1摄氏度) , 线性度好,测量范围广 (-200℃~650℃) ,性能稳 定,使用方便,完全满足设 计要求, 所以我最终选择铂 电阻PT100作为传感器。 PT100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0~650℃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,其中 A=3.96847×10-3;B=-5.847×10-7;C=-4.22×10-12; 2-2 电阻温度曲线图 由于它的电阻—温度关系的线性度非常好,电阻温度曲线 所示,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=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为华氏温度。 3 图 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 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。 测温电路原理图如下图所示: 图 3.2 如上图所示,热敏电阻 RT 和 RA1,RB1,RC1,以及可变电阻 R2 组成一个测 温电桥,在温度为 20 度时,调节 R2 使电桥达到平衡。当温度升高时,热敏电阻 的阻值变大,电桥失去平衡,电桥输出的不平衡电压,经过滤波后,输入运算放 大器,进行放大处理。 电桥的分析: 电桥原理图: 4 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 电桥灵敏度的分析: 当各桥臂发生微小变化时,电桥失去平衡,其输出为: 5 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 2.2 信号放大电路 本次课程设计,放大模块采用的是 OP07 放大集成电路。OP07 芯片是一种低 噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于 OP07 具有非常低的输入 失调电压(对于 OP07A 最大为 25μ V ,所以 OP07 在很多应用场合不需要额外 的调零措施。 OP07 同时具有输入偏置电流低 (OP07A 为±2nA) 和开环增益高 (对 于 OP07A 为 300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别 适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 OP07 具有以下特点: 超低偏移: 150μ V 最大 。 低输入偏置电流: 1.8nA 。 低失调电压漂移: 0.5μ V/℃ 。 超稳定,时间: 2μ V/month 最大 高电源电压范围: ±3V 至±22V OP07 的引脚分布如下图所示: OP07 芯片引脚功能说明: 1 和 8 为偏置平衡(调零端),2 为反向输入端,3 为正向输入端,4 接地,5 空 脚 6 为输出,7 接电源+。 6 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 OP07 放大电路的电路原理图如下所示: 如上图所示,将测温电桥的输出用差分的方式输入 OP07,放大 60 倍以获得 合适的 AD 输入电压。 2.3 AD 转换电路 此次课程设计的 AD 转换电路, 负责将放大后的模拟电压信号转化为可供单片 机识别的数字信号。主要采用 TLC2543.TLC2543 是 TI 公 司 的 12 位 串 行 模 数 转 换 器 ,使 用 开 关 电 容 逐 次 逼 近 技 术 完 成 A/D 转 换 过 程 。由 于 是 串 行 输 入 结 构 , 能 够 节 省 51 系 列 单 片 机 I/O 资 源 ; 且 价 格 适 中 , 分 辨 率较高,因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。 2TLC2543 的 特 点 : ( 1 ) 12 位 分 辩 率 A/D 转 换 器 ; ( 2 ) 在 工 作 温 度 范 围 内 10 μ s 转 换 时 间 ; ( 3 ) 11 个 模 拟 输 入 通 道 ; ( 4) 3 路 内 置 自 测 试 方 式 ; ( 5 ) 采 样 率 为 66kbps ; ( 6 ) 线LSBmax ; ( 7 ) 有 转 换 结 束 输 出 EOC ; ( 8) 具 有 单 、 双 极 性 输 出 ; ( 9 ) 可 编 程 的 MSB 或 LSB 前 导 ; ( 10 ) 可 编 程 输 出 数 据 长 度 。 7 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 TLC2543 的 引 脚 分 布 如 下 图 所 示 : 引脚说明 ( 1) 电 源 引 脚 Vcc ,20 脚 : 正 电 源 端 , 一 般 接 +5V 。 GND,10 脚 : 地 。 REF+,14 脚 : 正 基 准 电 压 端 , 一 般 接 +5V 。 REF-,13 脚 : 负 基 准 电 压 端 , 一 般 接 地 。 (2) 控 制 引 脚 CS,15 脚 : 片 选 端 , 由 高 到 低 有 效 , 由 外 部 输 入 。 EOC,19 脚 : 转 换 结 束 端 , 向 外 部 输 出 。 I/O CLOCK,18 脚 : 控 制 输 入 输 出 的 时 钟 , 由 外 部 输 入 。 (3) 模 拟 输 入 引 脚 AIN0 ~ AIN10 ,1 ~ 9 脚 、 11 ~ 12 脚 :11 路 模 拟 输 入 端 , 输 入 电 压 范 围 :0.3V ~ Vcc+0.3V 。 (4) 控 制 字 输 入 引 脚 DATA TN PUT,17 脚 : 控 制 字 输 入 端 , 选 择 通 道 及 输 出 数 据 格 式 的 控 制 字由此输入。 (5) 转 换 数 据 输 出 引 脚 DATA OUT ,16 脚 :A/ D 转 换 结 果 输 出 的 3 态 串 行 输 出 端 。 TLC2543 在 本 设 计 的 电 路 原 理 图 如 下 所 示 : 8 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 2.4 控制电路 AT89C51 单片机最小系统由 AT89C51 单片机及其外围电路组成, 是数字温度 计系统的核心。 AT89C51 单片机在高温环境中稳定性好,支持在线编程 ISP,无需专用的编 程器, 方便调试.AT89C51 单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的 解决方案。它的作用是控制 TLC2543 进行模数转换、形成必要的时序、进行数据 计算以及控制数码管显示。AT89C51 单片机各个引脚分布如图所示: 图1 9 图2 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 图3 图 1 为单片机的晶振电路, 图 2 为单片机的复位电路, 图 3 为单片机的引脚 分布及各引脚的接口,单片机采用 5V 供电。D1 为单片机上电电源指示灯,P2.7 为报警指示灯的接口,P2.6 为报警蜂鸣器的接口,P0.0-P0.7 为 74HC373 的 8 位 数据接口,X1,X2 为晶振电路的接口,与晶振电路相连。P1.0-P1.3 为 TLC2543 的控制端口,P2.0-P2.3 为显示数码管的为位选控制端口,RST 为单片机的复位端 口,与复位电路相连。 2.5 声光报警电路 当测量的温度超过限定值时,声光电路将进行声光报警,提醒操作人员及时 进行处理,避免系统长时间工作在高温情况下,影响系统的性能和使用寿命。声 光报警电路由一个发红色光 LED 灯和蜂鸣器构成。 10 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 电路原理图如下所示: 声光报警电路 2.6 显示电路 显示电路由 8 位锁存器 74HC373,4 个八段数码管构成,74HC373 的 8 个输 出口分别与各个数码的 8 个段选端口相连。经过单片机 P0 输出的 8 位数据,进 入 74HC373 中,先锁存,再通过单片机的 P2.0-P2.3 口来选择要显示的位,即控 制数码管的位选,通过以上所述来达到实时显示温度的目的。 显示电路原理图如下所示: 11 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 74HC373 是八位 D 型锁存器,其的逻辑图和引脚排列图如下: 由图可见它是三态输出结构,1 引脚为输出使能控制信号端,当 1 引脚为低 电平时,8 个输出三态门导通;当其为高电平时,输出三态门为高阻态。74HC373 内部集成有 8 位 D 型锁存器,1D,2D,```````8D 是 8 个数据输入端,CP 是锁存 控制信号。在输出使能信号 CS=0 情况下,若 CP 为高电平,输出 Q 跟随输入数据 D 变化而变化,即 D=0,Q=0,D=1,Q=1,若 CP 为低电平,输出 Q 的状态被锁存 在 CP 变 0 之前时刻各相应数据输入端的电平上, 当 CS=1 时, 输出虽然为高阻态, 已有的锁存数据仍然保留,新的数据也可以进入,因而输出使能信号 CS 不影响 内部锁存功能。 2.7 电源电路 电源是整套系统工作的基础, 要实现温度的精确测量与显示跟一个合适的稳 定的电源是密不可分的,由系统组成可知,系统要正常工作需要一个稳定的+5V 电源,用来给测温电桥,单片机,显示模块,AD 模块供电,要实现信号的放大 还需要给放大模块提供稳定的+9V ,-9V 电源。 电源模块的电路原理图如下所示: 12 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 由原理图可知,220V 交流电经过变压,整流,滤波后分成两个支路,一路 经过滤波后输入 LM7809,另一路进过滤波后输入 LM7909(C1、C7 分别为 7809 和 7909 的输入滤波电容) ,两路的输出经过滤波(C2 和 C8 分别为滤波电容) , 去高频耦合(C5 和 C10 为去耦电容)后分别提供+9V,-9V 稳定电压,其中路经 LM7809 的支路,输出后又经 LM7805 稳压输出+5V 电源,通过上述的电压变化可 以达到电路的需求。 常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78 ××系列和负电压输出 的 79××系列。顾名思义,三端 IC 是指这种稳压用的集成电路,只有三条 引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管, TO- 220 的标准封装,也有 9013 样子的 TO-92 封装。用 78/79 系列三端稳 压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调 整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如 7806 表示输出电压为正 6V , 7909 表示输出电压为负 9V 。 7805 和 7809 的封装与管脚图如图 1 所示,7909 的封装与管脚图如图 2 所示 图1 图2 在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功 率的条件下不用) 。当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏。散 热片总是和接地脚相连。 这样在 78** 系列中, 散热片和 ② 脚连接, 而在 79** 系列中,散热片却和 ① 脚连接。 78** 系列的稳压集成块的极限输入电压是 36V ,最低输入电压比输出电 压高 3-4V 。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗,所以一般输入为 9-15V 之间。 13 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 7909 的参数如下图所示: 14 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 3 数字温度计系统软件设计 3.1软件总体流程设计 软件设计采用 c 语言编程, 运用模块化程序设计思想,对不同功能模块的程 序进行分别编程,以便移植或调用,这样使软件层次结构清晰,有利于软件的调 试修改。 3.2 系统程序构建 数字温度计系统软件部分采用模块化设计思想,将系统分为主程序、初始化 处理模块、中断检测模块、延时处理模块、数据处理模块、显示模块,其软件系 统的主程序实现流程如下图所示: 开始 调用初始化模块 采集中断子程序中获 得的 AD 转换后的数据 调用数据处理子程序 超过限定温 度了吗? YY ES ES YES 声光报警 NO 调用显示子程序 结束 15 郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书 4 总结与展望 数字温度计是为了测温而设计开发的。在单片机技术与热敏电阻的巧妙结 合下,可以有效测出温度,并实时数字显示,当温度超过限定值时会及时发出报 警,提高了操作的安全性,同时为测量人员提供了方便。 本文设计应用中,主要进行了以下几方面的工作: (1) 本文在前半部分详细叙述了利用热敏电阻, 组成测温电桥的测温的原理 及为何选用 PT100,使我更加了解本设计的设计目的及要求。 (2) 在了解热阻效应和 PT100 的工作原理的基础上研究和分析了系统设计 方案,并对系统中遇到的不同的场景进行了分析; (3) 完成了数字温度计系统的硬件选型和电路设计; (4) 完成了系统的软件流程图设计; 本文通过对数字温度计系统的设计过程及计算得出如下结论: 本系统对有限温度范围内的温度测量具有较高的精度, 实现了测量温度显示 和超出限定温度报警功能,其主要技术指标达到了系统设计要求; 本文关于数字温度计的设计,虽然可以满足广大普通客户的需求,也做了一 些尝试性的探索工作, 但是还存在很多不完善的地方,仍有许多方面有待进一步 深入研究: (1) 需要对热敏电阻的线性度和系统电路设计的可靠性进行进一步的研究; (2) 本文在系统的精度方面研究非常局限,并没有做到非常精确,这就要 求以后在这方面还有更近一步研究。 (3) 本次课程设计的数字温度计的测量范围具有很大的局限性,只是在理 论上通过了, 在实际电路中必将遇到很多问题, 在硬件电路中如电源的稳定输出, 滤波等方面有待很大的改善。 16