【正文】 _熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 25 附錄 1 原理圖 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 26 附錄 2 元器件清單 名稱(chēng) 數(shù)量 TL431 1 OP07 2 AD620 1 TLC2543 1 STC89C52RC 1 LCD12864 1 510Ω 2 10K 1 1K 1 1 20K 1 10K 電位器 1 10uF 1 導(dǎo)線 焊錫絲 杜邦線 若干 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 27 附錄 3 程序清單 typedef unsigned char uchar。在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可先檢測(cè)電源模塊是否正常工作，因?yàn)楹芏噱e(cuò)誤都是電源部分出問(wèn)題導(dǎo)致或可以影響并反映在電壓部分上，如在這次的調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)同學(xué)的電路出現(xiàn)問(wèn)題都是電源的問(wèn)題，要么是 TL431 燒壞了，要么是芯片燒壞了影響到了 TL431 的參考極的電壓，導(dǎo)致電源部分異常。將設(shè)計(jì)好的電路放到仿真軟件上進(jìn)行仿真，觀察電路以及各個(gè)模塊能否按設(shè)定的狀態(tài)工作，最終結(jié)果是否正確， 將實(shí)際電路做出來(lái)后要 進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)可先測(cè)試最終的輸出能否達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，電路不能正常工作是要對(duì)電路的各個(gè)模塊進(jìn)行檢查，可以和軟件仿真調(diào)試時(shí)一樣檢查各個(gè)模塊是否正常工作，找到工作 不正常的模塊后，對(duì)該模塊的各個(gè)性能指標(biāo)以及各點(diǎn)輸入輸出是否正確，然后分析可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因后再進(jìn)行進(jìn)一步的排查和調(diào)試。 2 心得 通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我掌握了一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)過(guò)程和調(diào)試方法。故前面的 的誤差可能是其他原因照成的，但是由于沒(méi)有嘗試其他標(biāo)準(zhǔn)溫度的測(cè)量還不能對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)一步分析。將電路板調(diào)試正常后，調(diào)節(jié)電位器使電路最終輸出端的電壓降到 0V，但是在實(shí)際調(diào)節(jié)中輸出電壓調(diào)節(jié)到 時(shí)就沒(méi)有辦法繼續(xù)下調(diào)了，由于輸出電壓是隨電位器的電壓上升而下降的，故可能是 和電位器串聯(lián)的電阻 R8 設(shè)置得太小了。流程圖如下：開(kāi)始 初始化函數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度 返回 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 22 圖 34 顯示流程圖 按鍵流程的設(shè)計(jì) 圖 35 按鍵流程圖 開(kāi)始 將溫度數(shù)據(jù)寫(xiě)入 12864 液晶 讀取溫度值 顯示溫度 值及溫度曲線 返回 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 23 第四章 數(shù)據(jù)處理與性能分析 采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理 表 41采集的數(shù)據(jù) 溫度℃ 39 49 55 69 74 80 93 電壓 V 通過(guò)最小二乘法擬合的直線： Y=X* （公式 3） 性能測(cè)試分析 做實(shí)際的電 路板時(shí)為了調(diào)零的需 要先將 Pt100 用 100Ω的電阻來(lái)代替，模擬出一個(gè)外界溫度為 0℃的環(huán)境，以便于通過(guò)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)使其輸出電壓為 0V。流程圖如下： 圖 33 溫度轉(zhuǎn)換流程圖 顯示流程圖 主函數(shù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 12864，讀取溫度值。流程圖如下： 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 20 圖 31 系統(tǒng)總流程圖 主函數(shù)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化，調(diào)用溫度子程序，調(diào)用顯示子程序，調(diào)用掃描按鍵程序，然后循環(huán)。 圖 2 7 STC89C52RC 單片機(jī)控制電路 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 A8 9 GND 10 A9 11 A10 12 R 13 R+ 14 /CS 15 DO 16 DI 17 CLOK 18 EOC 19 VCC 20 TLC2543 VCC 5V CLOK D1 D0 /CS A0 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 19 顯 示模塊 本設(shè)計(jì)采用液晶 12864來(lái)顯示溫度及溫度曲線。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 18 圖 26 TLC2543與單片機(jī)連接圖 單片機(jī)控制電路 本設(shè)計(jì)是采用 STC89C52RC 單片機(jī)作為主控電路，其中 P1 口為 A/D 轉(zhuǎn)換器，, 為按鍵控制， P0 為液晶數(shù)據(jù)端口 ， P2 為液晶控制端口 ，用于對(duì)液晶 進(jìn)行 控制 。當(dāng) CS 為高時(shí)， I/O CLOCK 和 DATA INPUT被禁止， DATA OUT 為高阻態(tài)。 TLC2543 每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用 16 個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入 CS 的時(shí)序。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。 REF＋、 REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。在最后的 I/O CLOCK 下降沿之后， EOC 由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。 DATA OUT： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在 CS 為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng) CS 為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 MSB 值置成相應(yīng)的邏輯電平。 CS 由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止DATA INPUT 和 I/O CLOCK。對(duì) 的 I/O CLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于 50Ω。 TLC2543 引腳簡(jiǎn)介 TLC2543 的引腳排列如圖 25 所示。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 16 TLC2543 的主要特性 (1) 11 個(gè)模擬輸入通道； (2) 66ksps 的采樣速率； (3) 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10μ s； (4) SPI 串行接口； (5) 線性度誤差最大為177。 TLC2543 與外圍電路的連線簡(jiǎn)單，三個(gè)控制輸入端為 CS(片選 )、輸入 /輸出時(shí)鐘 (I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端 (DATA INPUT)。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(mǎn)足設(shè)計(jì)分辨率的要 求。 AD620 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由 OP07 組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，性能大大優(yōu)于自制的三運(yùn)放 IC 電路設(shè)計(jì)，其基本接法是在 1 腳與 8 腳之間外接一 RG 電阻，增益由式G=1+ /RG 確定，由于它的外圍電路十分簡(jiǎn)單，所以它在 本系統(tǒng)中的應(yīng)用見(jiàn)下圖 24 所示。 +A1+A2+A3R2R1R7R6R3R5R4V INV O U T 圖 23 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 14 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(zhuān)用的高性能的芯片，AD6 AD623 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。 表 21一 Pt100 分度表 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 13 放大器 AD620 放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度也 十分關(guān)鍵，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪 聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，如 下圖 23所示，三運(yùn)放中由 A A2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱(chēng)的同相、反相輸入放大器，后級(jí) 為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性與一致 性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件 R1與 R R3與 R R5與 R6，還包括 A1與 A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)高。由于通過(guò) Pt100 的電流需要在 1~ 內(nèi)，以及為了計(jì)算的方便，在本電路中理想情況下我們要使通過(guò) Pt100 的電流約為 1mA。當(dāng) TL431 兩端接上電壓后其參考極將輸出穩(wěn)定的 的電壓，但是 TL431的陰極和陽(yáng)極不能直接接在電壓上所以需要串上一個(gè)電阻進(jìn)行分壓，本電路中使其串上 1500Ω的電阻。只要通過(guò)對(duì) Pt100兩端的電壓進(jìn)行處理就能測(cè)得外界環(huán)境的溫度。再將溫度感 應(yīng)模塊產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)信號(hào)放大模塊就行放大，最后將放大的信號(hào)送 A/D轉(zhuǎn)換 。 兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。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。 PT100 溫度傳感器的測(cè)量范圍廣： 200℃～ +650℃，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用 PT100 作為溫度傳感器。 圖 11 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖 第二章 硬件設(shè)計(jì) 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。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路（采樣）、放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 系統(tǒng)的工作原理 測(cè)溫的模擬電路是把 當(dāng)前 PT100 熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī) STC89C52RC，單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到 液晶 進(jìn)行顯示。相對(duì)與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量范圍為 200℃～ 650℃，完全滿(mǎn)足要求，考慮到鉑電阻的測(cè)量精確度是最高的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)最終選擇鉑電阻 PT100 作為傳感器。 方案二：采用溫度傳感器 通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后，送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò) 液 晶 顯示溫度。 方案論證 溫度測(cè)量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器?！?，綜合價(jià)格以及后續(xù)的電路，決定采用線性 度相對(duì)較好的 PT100 作為本課題的溫度傳感器，具體的型號(hào)為 WZP型鉑電阻，該傳感器的測(cè)溫范圍從－ 200℃～＋ 650℃。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相 對(duì)較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問(wèn)題，而且其輸出 受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。 熱電偶的使用誤差主要來(lái)自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的 儀表誤差等。 熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的 熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn) 確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。 ℃ ,一般有177。常用的熱電阻材料 有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、 良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如 PT100、 PT1000 等 。在接觸式和非接觸式兩大類(lèi)溫度傳感器中，相比運(yùn)用多的是接觸式 傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場(chǎng)合才使用，目前得到廣泛使用的 接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱(chēng) 為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱(chēng)為熱電偶傳感器。 首先要考慮的就是溫度傳感器的選擇 。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度測(cè)量與顯示，完成了課題所有要求。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫 度傳感器，信號(hào)放大電路， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度、顯示模塊六個(gè)部分。本課題主要任務(wù) 成環(huán)基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 5 境溫度檢測(cè)并顯示溫度和實(shí)時(shí)的時(shí)間。文中將傳