【正文】 .......................................................24第三節(jié) 仿真分析 ......................................................................................................26IV結(jié) 論 ................................................................................................................................27參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................28附錄 A..............................................................................................................................29附錄 B: .............................................................................................................................30致 謝 ................................................................................................................................31V1前 言隨著科技的發(fā)展和“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度測(cè)量系統(tǒng)。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2第一章 方案設(shè)計(jì)與論證第一節(jié) 傳感器的選擇溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開一定的距離，檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，達(dá)到測(cè)溫的目的。近年來(lái)各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如 DALLAS 公司 DS18B20，MAXIM 公司的MAX657MAX6577，ADI 公司的 AD7416 等，這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，如 DS18B20 該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MAXIM 公司的 2 種溫度傳感器一個(gè)為頻率輸出，一個(gè)為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而 ADI 公司的 AD7416 的數(shù)字接口則為近年也比較流行的 I2C 總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來(lái)了極大的方便，但這類器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的范圍太窄，一般只有55～+125℃，而且溫度的測(cè)量精度都不高，好的才177。常用的熱電偶材料有鉑銠鉑、銥銠 銥、鎳鐵鎳銅、銅 康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫范圍場(chǎng)合。3由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的范圍為 0℃～100℃，測(cè)量的分辨率為177。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。該方案采用熱電阻 PT100 做為溫度傳感器、AD620 作為信號(hào)放大器，TLC2543 作為 A/D 轉(zhuǎn)換部件，對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。另外，外接一個(gè)時(shí)鐘芯片 DS1302 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制，并將時(shí)間顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。信號(hào)放大調(diào)理電路PT100 溫度傳感器A/D 轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘電路按鍵控制電路AT89S51 單片機(jī) LED 數(shù)碼管顯示電路圖 11 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖5第二章 硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) PT100 傳感器特性和測(cè)溫原理電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。采用 Pt100 測(cè)量溫度一般有兩種方案：方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò) Pt100 熱電阻，通過(guò)檢測(cè) Pt100 上電壓的變化來(lái)?yè)Q算出溫度。第三節(jié) 恒流源電路 從上述關(guān)于 PT100 傳感器測(cè)溫原理可知，由 PT100 構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有 2 種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問(wèn)題，一般采用單臂橋；還有一種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過(guò)溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。R16 327 8532 6741U1OP07VR310kR17500R11PT100+12V12VVCC23圖 22 由運(yùn)放構(gòu)成的恒流源電路上圖中，由于運(yùn)放虛地的結(jié)果，造成 OP07 的反相輸入端為 0V，而圖中 電阻的下端由于運(yùn)用精密的電壓源 ，外加調(diào)整電路，該點(diǎn)電壓可調(diào)整為 ，而由于運(yùn)放的輸入阻抗極高，輸入端可以認(rèn)為不吸入電流，因此從 電阻上流過(guò)的電流大小固定而且一定等于 OP07 輸出端流入溫度傳感器 PT100 的電流，從而達(dá)到恒流的效果，連接PT100 兩端的壓差正好反映溫度變化的信號(hào)送入后級(jí)的放大器。+A1+A2+A3R2R1R7R6R3R5R4VINVOUT圖 23 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖隨著近年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了不少專用的高性能的芯片，AD6AD623 就是具有上述描述的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了 AD620 作為放大器電路的首級(jí)放大。這里設(shè)計(jì)的首級(jí)放大器的倍數(shù)是 20 倍，而后級(jí)放大則為 4 倍，合計(jì)的放大倍數(shù)為 80 倍，這樣就完全滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。所謂雙積分就是進(jìn)行一次 A/D 轉(zhuǎn)換需要兩次積分。102. 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器由 D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。片內(nèi)的 14 通道多路器可以選擇 11 個(gè)輸入中的任何一個(gè)或 3 個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣－保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高。 A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10 A9 11A10 12R 13R+ 14/CS 15DO 16DI 17CLOK 18EOC 19VCC 20TLC2543圖 25 TLC2543 的引腳11AIN0～AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇?！　ATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以 MSB 為前導(dǎo)并在 I/O CLOCK 的前 4 個(gè)上升沿移入 4 位地址，用來(lái)選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓，之后 I/O CLOCK將余下的幾位依次輸入。 　　VCC、GND：電源正端、地。　　I/O CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543 與單片機(jī)的連接如圖 26 所示。 DS1302 是 DS1202 的 升 級(jí) 產(chǎn) 品 ， 與 DS1202 兼 容 ， 但 增 加 了 主 電 源 /后背 電 源 雙 電 源 引 腳 ， 同 時(shí) 提 供 了 對(duì) 后 背 電 源 進(jìn) 行 涓 細(xì) 電 流 充 電 的 能 力 。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩 者 中 的 較 大 者 供 電 。 RST 是 復(fù) 位 /片 選 線 ， 通 過(guò) 把RST 輸 入 驅(qū) 動(dòng) 置 高 電 平 來(lái) 啟 動(dòng) 所 有 的 數(shù) 據(jù) 傳 送 。 上 電 運(yùn) 行 時(shí) ， 在 Vcc≥ 之 前 ， RST 必 須 保 持 低 電 平 。 DS1302 的 引 腳 功 能 圖 如 圖 27 所 示 。 最 低 有 效 位 (位0)如 為 0 表 示 要 進(jìn) 行 寫 操 作 ， 為 1 表 示 進(jìn) 行 讀 操作 ， 控 制 字 節(jié) 總 是 從 最 低 位 開 始 輸 出 。圖 的 控 制 字 節(jié)此 外 ， DS1302 還 有 年 份 寄 存 器 、 控 制 寄 存 器 、 充 電 寄 存 器 、 時(shí) 鐘 突 發(fā) 寄 存 器 及 與RAM 相 關(guān) 的 寄 存 器 等 。 這 三 條 線 分 別接 到 CPU 的 I/O 線 上 。設(shè)置鍵，接單片機(jī)的 腳用于申請(qǐng)中斷，以執(zhí)行鍵盤中斷修改設(shè)置時(shí)間；加鍵，用于修改時(shí)間使時(shí)間按增形式調(diào)整；減鍵，用于修改時(shí)間使時(shí)間按減形式調(diào)整。其電路圖如下圖 211 所示。在單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。因此，整個(gè)軟件可分為溫度采集子程序、時(shí)鐘讀取程序、按鍵子程序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。這里我們考慮第 2 種方法的優(yōu)點(diǎn)，首先采用分段的方法，將測(cè)量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的各個(gè)系數(shù)，然后計(jì)算出溫度值，這里，由于時(shí)間的關(guān)系，我們對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍分了 3 段，分別為 0－49℃、50－70℃、71－100℃，利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。RB，這里的 A、B 是上述不同溫度段的系數(shù)，而 R 值由于在輸出為 0V 時(shí)，實(shí)際上有個(gè)對(duì)應(yīng)于 100 歐姆的偏置電路，因此根據(jù) RR0=U/I，而I=，而 AD/U/G=4096/，這里的 AD 值為 A/D 轉(zhuǎn)換得結(jié)果 G 為放大器的增益，本設(shè)計(jì)中的二級(jí)放大器放大的倍數(shù)為 80 倍。程序如下：20void write_byte(uchar dat) //1302 寫入一字節(jié) {uchar a。a){IO=ACC0。ACC=ACC1。a){ACC7=IO。}return(ACC)。21RST=1。SCLK=1。SCLK=0。temp=read_byte()。return (temp)。=0x0F))。in。_CS=0。i++){ if(D_OUT) ad|=0x01。 delay(6)。 ad=1。}uint Read_Temp() // 電壓轉(zhuǎn)換函數(shù){23uint j。m2=。m4=m4*10。m4=m3/10000。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。由于 PT100 溫度傳感器在仿真過(guò)程中波動(dòng)較大，使得顯示的溫度跳躍變化，不易于溫度顯示與測(cè)量。系統(tǒng)電路仿真圖如圖41所示。其中二級(jí)放大器中設(shè)計(jì)了偏置調(diào)整電路，因?yàn)?PT100 電阻傳感器在 0℃時(shí)對(duì)應(yīng)電阻為 100 歐姆，所以要顯示 0℃，就必須將此時(shí)對(duì)應(yīng)的有效數(shù)字減掉后再放大一定的倍數(shù)，才通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。另外本系統(tǒng)還可以通過(guò)外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)至少 2 個(gè)月，從一開始的課題確定，到后來(lái)的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來(lái)的調(diào)試和測(cè)試過(guò)程，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到提升。為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、打下了良好的基礎(chǔ)，樹立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上得到了比較充分的鍛煉。幫助解決畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的許多問(wèn)題。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書（指導(dǎo)教師填）題目名稱: 基于 PT100 的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 王洋 所學(xué)專業(yè) 微電子控制技術(shù) 班級(jí) 0731指導(dǎo)教師姓名 翁嘉民 所學(xué)專業(yè) 職稱一、設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展，人們對(duì)溫度過(guò)程控制的要求越來(lái)越高。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)，傳感器與測(cè)量技術(shù)等課程的相關(guān)理論為指導(dǎo)，以實(shí)際需求為目標(biāo)，以鍛煉系統(tǒng)集成開發(fā)能力為目的，采用新型器件設(shè)計(jì)而成，具有實(shí)用、小型化等特點(diǎn)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。而基于 PT100 傳感器與單片機(jī)相結(jié)合的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)傳感器在單片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。鉑電阻 PT100 測(cè)溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定, 是中低溫區(qū)（200～650℃）最常用的一種溫度檢