【正文】 ............................................................................................................................25附錄 2 元器件清單 ....................................................................................................................26附錄 3 程序清單 ........................................................................................................................27基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)4 前 言 隨著科技的發(fā)展和“信息時(shí)代”的到來，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)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。另一方面，傳感器的被測信號來自于各個(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)。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。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)了這一溫度測量系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。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)。文中對每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹?；?Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)6第一章 方案設(shè)計(jì)與論證 傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)目的是式設(shè)計(jì)一個(gè)測溫系統(tǒng)。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物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達(dá)到測溫的目的。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。近年來各半導(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了極大的方便，但這類器件的最大缺點(diǎn)是測溫的范圍太窄，一般只有基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)755～+125℃，而且溫度的測量精度都不高，好的才177。2℃左右，因此在高精度的場合不太滿足用戶的需要。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溫范圍場合。非接觸式溫度傳感器主要是被測物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的高低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，既可測近距離小目標(biāo)的溫度，又可測遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測量的范圍為 0℃～100℃，測量的分辨率為177。具體在 0℃～100℃的分度特性表見附錄 A 所示。 基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)8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)電路簡單易懂，操作簡單，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，而且測量誤差大。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。該方案采用熱電阻 PT100 做為溫度傳感器、AD620 作為信號放大器，TLC2543 作為 A/D 轉(zhuǎn)換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。在這里我選用方案二完成本次設(shè)計(jì)?；?Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)9 系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，時(shí)間、溫度顯示單元。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖 11 所示。PT100 溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0～650℃范圍內(nèi)：基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)10Rt =R0 (1+At+Bt2) （公式 1）在200～0℃范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t100)t3) （公式 2）式中 A、B、C 為常數(shù)，A=103；B=107；C=1012；由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+α T) ，其中 α=, Ro 為 100Ω(在0℃的電阻值),T 為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測溫范圍：200～650 攝氏度；2. 測溫精度： 攝氏度；3. 穩(wěn)定性： 攝氏度Pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實(shí)是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度?；?Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)11方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100 熱電阻，當(dāng) Pt100 電阻值變化時(shí)，測試端產(chǎn)生一個(gè)電勢差，由此電勢差換算出溫度。 硬件框圖以及簡要原理概述本電路通過電源模塊給溫度感應(yīng)模塊提供一個(gè)穩(wěn)定的電源使其正常工作。 圖21 硬件框圖 恒流源模塊測溫模塊設(shè)計(jì)方案本電路是基于熱敏電阻Pt100 的溫度檢測電路，Pt100 的電阻值會隨著溫度的變化而變化，故電源模塊可設(shè)計(jì)一個(gè)橫流源電路使得通過Pt100 的電流恒定不變，這時(shí)當(dāng)溫度變化時(shí)Pt100 的阻值發(fā)生變化，電壓也就能發(fā)生相應(yīng)的線性變化?；?Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)12 圖22 恒流源電路及信號放大電路本電路中恒流源電路是基于TL431 穩(wěn)壓集成電路設(shè)計(jì)的高精度恒流源，電路圖如圖22所示。當(dāng)TL431 的參考極和地端之間接上一個(gè)電阻時(shí)該之路的電流就是一個(gè)恒定的電流，這時(shí)再如圖中所示接上一個(gè)處于放大區(qū)的三級管使其發(fā)射極和集極的電流近乎相等，這時(shí)通過連接在集極的Pt100 熱敏電阻的電流就是恒定值。 信號放大模塊 Pt100 的特性由于熱敏電阻Pt100 的電阻對溫度的改變量比較小只有幾十歐姆的變化（Pt100 分度表如表一所示） ，所以其兩端的電壓差相對來說是一個(gè)很小的值，所以需要對該電壓信號進(jìn)行放大。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來解決剛才的參數(shù)匹配問題已不是什么復(fù)雜的問題。AD620 是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置1～1000 倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)（如 ECG 檢測和血壓監(jiān)視） 、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。由于我們的溫度測量范圍是 0～100℃，而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為 100 歐姆～ 歐姆，由于我們設(shè)計(jì)的恒流源為 5/3 毫安，因此AD620 的輸入端為 毫伏，假設(shè)考慮我們的 TLC2543 的最大輸入為，我們設(shè)計(jì)的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下，則為 20 倍，假設(shè)我們只用一個(gè) AD620，則 AD620 的輸出為 2V～5V(TLC 只能轉(zhuǎn)換 5V)，這樣12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率則大于題目的要求 ℃，因此，我們必須將 100歐姆以下的值通過偏置的方法將其減掉，然后通過增加放大倍數(shù)來盡量提高分辨率，這里我們設(shè)計(jì)的偏置電路同樣見下圖 5 所示?；?Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)15R910kR740k85326741U3AD62085326741U2op07VR12kR82kVR24kVCC+12V12V+12V12VR1010kA023傳傳傳傳傳傳傳1 傳傳傳2傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳圖 24 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 TLC2543 簡介在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC2543，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡單的 3 線 SPI 串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。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。1LSB； (6) 低供電電流(1mA 典型值)； (7) 掉電模式電流為 4μA。 A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10 A9 11A10 12R 13R+ 14/CS 15DO 16DI 17CLOK 18EOC 19VCC 20TLC2543 圖 25 TLC2543 的引腳AIN0～AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇?！　S：片選端，CS 由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT 和 I/O CLOCK。基于 Pt100_熱電阻的簡易溫度測量系統(tǒng)17　　DATA 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，用來選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號或測試電壓，之后 I/O CLOCK 將余下的幾位依次輸入。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。 　　VCC、GND：電源正端、地。通常 REF＋接 VCC，REF－接 GND?！　/O CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。根據(jù) TLC2543 時(shí)序圖可以看出，在 TLC2543 的 CS 變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/O CLOCK 的前 8 個(gè)上升沿將 8 個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余 11 位移出 DATA OUT 端，在I/O CLOCK 下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。TLC2543 與單片機(jī)的連接如圖所示。如圖 8 所示。其連線圖如下： 圖28 液晶顯示第三章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總流程的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后PT100進(jìn)行溫度采集，然后經(jīng)過放大，A/D采集后由單片機(jī)處理讀到的數(shù)據(jù)，然后通過液晶顯示溫度及溫度曲線。流程圖如下：開始系統(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 圖 32 主函數(shù)流程圖