【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 較高的場(chǎng)合。后者對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行處理后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，適用于對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)：采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī) 能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為微處理器，以此來(lái)測(cè)量各種參數(shù)的大小，并將測(cè)量值通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。采用這種設(shè)計(jì)，系統(tǒng)制造簡(jiǎn)單、成本低。本文就介紹了一種以 MSP430單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， Pt膜溫度傳感器的參數(shù)經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換后成為可測(cè)量的參數(shù)，傳給上位機(jī)完成 Pt膜溫度傳感器性能參 數(shù)的測(cè)量。 本課題研究的內(nèi)容 （ 1） 通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解數(shù)字溫度計(jì)的發(fā)展歷程，對(duì)數(shù)字溫度計(jì)的現(xiàn)狀，技術(shù)水平和發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)和了解； （ 2） 研究溫度傳感器的理論原理和發(fā)展應(yīng)用； （ 3） 研究溫度的采集過(guò)程，將微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，及其通過(guò) atmega16單片機(jī)處理過(guò)后怎樣將溫度顯示出來(lái)； （ 4） 研究由于溫度與電阻值的非線性變換，采用怎樣的校正電路進(jìn)行校正。 信息工程學(xué) 院課程設(shè)計(jì)（論文） 5 2 總體設(shè)計(jì)方案 提出總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)數(shù)字溫度計(jì)題目的要求，提出以下幾種方案： 方案一： 采用了最簡(jiǎn)單的方式，就是將傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò) D/A轉(zhuǎn)換后直接顯示。 方案二： 采用 MAXIM公司生產(chǎn)的 DS18B20來(lái)采集溫度， DS18B20是采用 1— wire總接口的數(shù)字溫度計(jì)，測(cè)量溫度范圍為 55℃ — +125℃，精度可達(dá)到 0。 0675℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 200ns。這器件可用一根引與處理器相連，以串行方式將數(shù)據(jù)送到處理器，經(jīng)處理器處理后直接顯示。 方案三： 采用 pt100熱電阻作為溫度采集的傳感器，把采集到的溫度直接送到 atmega16單片機(jī)，經(jīng)過(guò) atmega16單片機(jī)處理后送到顯示器，顯示器將顯示采集的溫度， 總體設(shè)計(jì)方案論證 四種方案的比較 （ 1）控制部分 方案二、三都采用了單片機(jī)作為控制，作為一種新型的微處理器，可以通過(guò)智能編程的方式，可以進(jìn)行擴(kuò)展，而且能夠具有超溫報(bào)警和自動(dòng)控制功能。而方案一沒(méi)有采用控制，直接把溫度顯示出來(lái)就完了。這樣就只能完成對(duì)溫度的顯示。 （ 2）傳感器部分 方案一、三的傳感器可以選一樣，可以選熱敏電阻和其它的傳感器，但我們這里選用了pt100。方案二采用的傳感器是 DS18B20，這種傳感器雖然硬件簡(jiǎn)單，但是成本較高。所以傳感器 D/A 顯示器 DS18B20 單片機(jī) 顯 示 鍵盤 Pt100 溫度傳感器 單片機(jī) 顯示 鍵盤 放大器 信息工程學(xué) 院課程設(shè)計(jì)（論文） 6 沒(méi)有采用這種傳感器。 （ 3）顯示部分 方案一采用的是一種將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成七段碼的 ADC，可以采用 ICL7106來(lái)將采集到的溫度進(jìn)行顯示，這種方案很簡(jiǎn)單，但是它的可控性很差，只能進(jìn)行顯示。方案二、三都是采用了單片機(jī)在內(nèi)部遠(yuǎn)算之后，才由顯示部分顯示出來(lái)。 在上面幾種方案中，雖然它們各自有自已的優(yōu)點(diǎn)，特別是第二種方案，它的硬件很簡(jiǎn)單，只要把程序?qū)懞?，就能夠運(yùn)行了?？墒菫榱藢W(xué)的知識(shí)系統(tǒng)的組合起來(lái)，我選擇第三種方案，此方案不僅用到了單片機(jī)，還用到了模電和數(shù)點(diǎn)知識(shí)。系統(tǒng)很容易進(jìn)行擴(kuò)展。 信息工程學(xué) 院課程設(shè)計(jì)（論文） 7 3 測(cè)量電路理論基礎(chǔ) 鉑電阻的選取 早在十九世紀(jì)末，人們就開(kāi)始使用電阻法進(jìn)行溫度測(cè)量。 1871年西門子 (C． w． Simens)把鉑絲繞在粘土上，然后再套上鐵管構(gòu)成電阻感溫元件，作為測(cè) 溫的工具。直到今天，鉑電阻依舊是國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)中的一種重要的內(nèi)插儀器。它 的下限溫度已經(jīng)延伸到平衡氫三相點(diǎn)溫度 ()，并且人們還在努力把它的 上限點(diǎn)提高到銀的凝固點(diǎn) (+176。C) 或金的凝固點(diǎn) (+176。C) ，并用它來(lái) 替代精確度稍差的鉑鐒一鉑標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 鉑電阻的特點(diǎn) 任何 物體的電阻都與溫度有關(guān)，因此，都可以用它們來(lái)測(cè)量溫度．但能滿足實(shí)際要求的不多．因?yàn)閷?shí)際溫度測(cè)量元件不僅要求有較高的靈敏度而且要求有較高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，金屬熱電阻是最普遍的一種，其最大的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，以鉑電阻的精度最高．它不僅廣泛用于工業(yè)測(cè)量，更重要的事它還能制成標(biāo)準(zhǔn)的和基準(zhǔn)的溫度計(jì)．鉑熱電阻的特點(diǎn)為： （ 1） 有較高的電阻一溫度系數(shù) ? ， ? 表示為 11..dR dRR dt R dt? ? ? （ ） 式中， R為熱電阻的阻值， dR/dt為熱電阻的電阻值隨溫度的變化率．一般電阻溫度系數(shù)與金屬的純度有關(guān)，金屬愈純則 ? 值愈大，電阻與溫度的關(guān)系并非線性關(guān)系，故多用溫度 R100和 R0的電阻比值 RIOO／ Ro代表 0176。C 一 100176。C 之間的平均溫度系數(shù)，如 ??pt= 103[1/K] ??Cm= 103[1/K] ??Nt= 103[1/K] （ 2） 材料的電阻率大．這樣可以是熱電阻的體積做得更小，測(cè)溫時(shí)的熱慣性也小：另外電阻率較大時(shí)，可用較短較粗的金屬絲制造 R0值較大的熱電阻體，從改善機(jī)械性能和穩(wěn)定性．如在 0176。C 時(shí)，則 ? pt= 108[? .m] ? Cm= 108[? .m] ? Nt= 108[? .m] （ 3） 已得到高純材料，易提純，復(fù)制性好，互換性好。 信息工程學(xué) 院課程設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 4）滿足對(duì)溫度傳感器的基本要求．如靈 敏度大，線性好，復(fù)現(xiàn)性高，響應(yīng)時(shí)間小，價(jià)格便宜，物理化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) 。 鉑電阻的結(jié)構(gòu)和性能 鉑電阻常用的有兩種：桿式和囊式。桿式的上限溫度很高可使其溫度范圍在 183176。C — 630176。C 和 O176。C — 1100176。C ，分別 稱為中溫鉑電阻和高溫鉑電阻。囊式鉑電 阻的下限溫度低，可使用于 263176。C — +200176。C ，所以有稱為低溫鉑電阻。而在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的銅鉑電阻的測(cè)溫范圍為 50176。C — +100176。C ( 線性較好的溫度范用 )。常見(jiàn)的鉑熱電阻是桿式鉑電阻，它是由鉑絲、絕緣架和保護(hù)套管組成。鉑熱電阻通常用直徑為 ～ 177。 毫米的鉑絲單層繞制而成。鉑絲的直徑大小將直接影響鉑電阻的強(qiáng)度和它的熱惰性的大小，同時(shí)，由于鉑是貴金屬，也影響其成本。鉑絲粗則強(qiáng)度好，熱惰性大，成本就高。鉑電阻應(yīng)采用無(wú)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，鉑絲受熱膨脹 或冷卻時(shí)都不受支架的約束。因?yàn)榻饘俚碾娮枧c溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬中的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)改變它的電阻～溫度特性。此外，鉑電阻一般是采用無(wú)感繞制的，要盡可能地減 d、電阻中的電感值。 熱電阻的電阻值不僅和制造熱電阻的材料和導(dǎo)線的物理形狀有關(guān)同時(shí)也和溫度有關(guān)系．即它不僅和 p、 L、 S有關(guān)還和溫度有關(guān)。當(dāng)不考慮溫度的影響時(shí)，導(dǎo)體的電阻值 R可以用下面的關(guān)系式表示： LR S??? （ ） 式中 ? — 電阻率（ cm?? ） L— 導(dǎo)線長(zhǎng)度（ cm） S— 導(dǎo)線截面積（ cm2） 當(dāng)考慮溫度的影響時(shí)，而導(dǎo)體材料的電阻率 ? 隨溫度變化的關(guān)系為： ? t=? 0（ 1+? t） （ ） 式中 ? t— 導(dǎo)線材料在溫度為 t176。C 時(shí)的電阻率 ? 0— 導(dǎo)線材料在溫度為 0176。C 時(shí)的電阻率 ? — 導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)（ ? /176。C ） 當(dāng)溫度改變時(shí)， L、 S可以近似看作不變，導(dǎo)體的電阻可表示為： Rt=R0（ 1+? t） （ ） 式中 Rt— 導(dǎo)體材料在溫度為 t176。C 時(shí)的電阻值 信息工程學(xué) 院課程設(shè)計(jì)（論文） 9 R0— 導(dǎo)線材料在溫度為 0176。C 時(shí)的電阻值 ? — 導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)（ ? /176。C ） 在溫度范圍 200176。C — 0176。C 之間，鉑熱電阻的電阻與溫度之間的關(guān)系為 Rt=R[1+At+Bt2+Ct3(t100)] （ ） 在溫度范圍 0176。C — 650176。C 之間，鉑熱電阻 的電阻與溫度之間的關(guān)系為 Rt=R0(1+At+Bt2) （ ） A、 B、 C為溫度系數(shù)，他們的值為 A= 103[1/176。C ] B= 103[1/（ 176。C ） 2] C= 1012[1/（ 176。C ） 4] 鉑電阻溫度的測(cè)量方法 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器 ,由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等 ,被廣泛用于中溫 (200℃ — 650℃ )范圍的溫度測(cè)量中。 PT100是一種廣泛 應(yīng)用的測(cè)溫元件，在 50℃ — 600℃℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將 Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入 EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的 AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。 電橋測(cè)量方法 常用的 Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將 PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。其中圖 ，圖 橋式測(cè)溫電路，圖 。下面分別對(duì)橋式電路和恒流源式電路的原理在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明 （ 1）橋式測(cè)溫電路橋式測(cè)溫的典型應(yīng)用電路如圖所示（圖 ，分別畫出來(lái)是為了說(shuō)明兩線制接法和三線制接法的區(qū)別）。 測(cè)溫原理：電路采用 TL431和電位器 VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生 ；采用 R R VRPt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中 R1＝ R2， VR2為 100Ω精密電阻），當(dāng) Pt100的電阻值和 VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè) mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放 LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連 AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中 R3＝ R R5＝ R放大倍信息工程學(xué) 院課程設(shè)計(jì)（論文） 10 數(shù)＝ R5/R3，運(yùn)放采用單一 5V供電。 設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： ① 同幅度調(diào)整 R1和 R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大?。? ② 改變 R5/R3的比值即可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要求 ③ 放大電路必須接成負(fù)反饋方式，否則放大電路不能正常工作。 ④ VR2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如 Pt100的零點(diǎn)溫度為 0℃，即 0℃時(shí)電阻為 100Ω，當(dāng)電位器阻值調(diào)至 ，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)定在了 25℃。測(cè)量電位器的阻值時(shí)須在沒(méi)有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè)量的電阻值發(fā)生了改變。 ⑤ 理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為 *(RP