【正文】 ................. 35 3 1 緒論 課題背景 水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎 %80 的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。本設計包括溫度傳感器、 A/D 轉換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、溫度顯示模塊四個部分。 畢業(yè)設計 題目 基于熱電阻的溫度檢測儀設計 專業(yè) 電氣自動化技術 學號 姓名 指導老師 1 摘 要 本課題以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心，對單點的溫度進行實時檢測。采用模擬溫度傳感器 PT100 對溫度進行檢測；采用串型模數(shù)轉換器 ADC0809 進行 A/D 轉換把溫度信號調解轉換為電壓信號與 AT89C51 單片機接口設置 LED 八段數(shù)碼管實時顯示溫度值。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過 程作了詳細介紹。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。在冶金、鋼鐵、石化、因素。傳感器主要大體經(jīng)過了三個發(fā)展階段。該傳感器是采用硅半導體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有 AD590、 AD59TMP1 LM135 等。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有 LM5 AD22105 和 MAX6509。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。能溫度傳感器 (亦稱數(shù)字溫度傳感器 )是在 20 世紀 90 年代中期問世的。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、 A/D 轉換器、信號處理器、存儲器 (或寄存器 )和接口電路。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù) 據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器 (MCU)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 目前市場主要存在單點和多點兩種溫度測量儀表。此種產(chǎn)品測溫范圍大都在 200℃ ~800℃之間，分辨率 12 位，最小分辨溫度在~ 之間。有的儀表還具有存儲功能，可 4 存儲幾百到幾千組數(shù)據(jù)。多點溫度測量儀表，相對與單點的測量精度有一定的差距，雖然實現(xiàn)了多路溫度的測控，但價格昂貴。 方案論證 本方案以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心，對單點的溫度進行實時測量檢測。在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升，具有更高的性價比。其中 溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路、放大電路、 A/D 轉換電路。 圖 1 系統(tǒng)原理框圖 單片機選型 美國 Atmel 公司是國際上著名的半導體公司，該公司的技術優(yōu)勢在于 Flash 存儲器技術。 1994PT110 傳感器 信號 調理電路 A/D 轉換電路 時鐘電路 AT89C51 單片機 LED 顯示 電路 報警 電路 按鍵電路 5 年，為了介入單片機市場， Atmel 公司以 EEPROM 技術和 Intel 公司的 80C31 單片機核心技術進行交換，從而取得了 80C31 核的使用權。這是一種內部含 Flash 存儲器的特殊單片機。 AT89 系列單片機對于一般用戶來說，有下列明顯的優(yōu)點：①內部含有 Flash 存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中很容易修改程序，可以大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。③ AT89 系列并不對 80C31 的簡單繼承，功能進一步增強。對于有豐富編程經(jīng)驗的用戶而言，不需要仿真器，可以直接將程序燒入芯片，放在目標板上加電直接運行，觀察運行結果，出現(xiàn)問題 時再進行修改，然后重新燒寫程序，再進行試驗，直至成功。 又考慮到單片機的存儲空間與價格，以及我對單片機的熟悉程度，課本學習的是 AT89C51單片機，因 此，此次設計我選用了 AT89C51 單片機來完成此次設計。由于本系統(tǒng)測量的是溫度信號，響應時間長，滯后大，不要求快速轉換，因此選用 8位串型 A/D 轉換器 ADC0809。為進一步提高精度，可以直接采用 12 位 A/D 轉換器，也可以采用過采樣和求均值技術來提高測量分辨率。因為 8 位 ADC0809 其性價比更高，更重要的是我對 ADC0809 更加了解，所以本次設計我選用了 ADC0809 作為模數(shù)轉換 器。液晶顯示功能強大，可以顯示數(shù)字字符、德法文、點陣顯示，還可以顯示全部國標漢字，但是與單片機連接時接口電路驅動復雜；顯示亮度低，不利于觀察；編程困難；成本高。不但硬件電路簡單，造價低廉，而且數(shù)碼管亮度高，利于我們的觀察讀數(shù)。 元件介紹 PT100 溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱電阻傳感器，主要技術參數(shù)如下： ① 測量范圍： 200℃～ +850℃； ② 允許偏差值 ? ℃： A 級 ? ? 5 02 t?? ， B級 ? ? 0 05 t?? ； ③ 響應時間＜ 30s； ④ 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥ 200mm； ⑤ 允通電流≤ 5mA。 鉑熱電阻的線性較好，在 0～ 100 攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于 攝氏度?？梢?PT100 在常溫 0～100 攝氏度之間變化時線性度非常好，其阻值表達式可近似簡化為： ? ?10 0 1RtR At? ? ?，當溫度變化 1℃， PT100 阻值近似變化 ? 。采用 Pt100 測量溫度一般有兩種方案： 方案一：設計一個恒流源通過 Pt100 熱電阻，通過檢測 Pt100 上電壓的變化來換算出溫度。兩種方案的區(qū)別只 7 在于信號獲取電路的不同，其原理上基本一致 。通常將其放在電橋的橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器 LM741 的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給 A/D 轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數(shù)字量。 圖 2 信號采集與放大電路 對信號放大，我們使用了低價格、高精度的儀器放大器 LM741，它運用方便，可以通過外接電阻方便的進行各種增益（ 11000）的調整。 模數(shù)轉換單元 8 位串行 A/D轉換器 ADC0809 ADC0809是帶有 8位 A/D轉換器、 8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的 CMOS組件。 它是美國國家半導體公司的產(chǎn)品，是目前國內最廣泛的 8 位通用的 A/D 轉換的芯片。 圖 3 ADC0809 內部邏輯結構 由上圖可知， ADC0809 由一個 8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉換完的數(shù)字量，當 OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。 圖 23 引腳結構 圖 4 ADC0809 引腳結構圖 9 IN0－ IN7： 8條模擬量輸入通道 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單 極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。當 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A，B， C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量 送入轉換器 進行轉換。通道選擇表如表 1。當 ST 上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行 A/D 轉換；在轉換期間， ST 應保持低電平。當 EOC 為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行 A/D 轉換。 OE＝ 1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 CLK 為時鐘輸入信號線。 VREF（＋）， VREF（－）為參考電壓輸入。 ② 初始化時，使 ST和 OE信號全為低電平 。 ④ 在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號。 ⑥ 當 EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE為高電平 ，轉換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。 圖 5 A/D 轉換電路原理圖 由圖 25 可以看出 A、 B、 C 都接地（都為 0），故信號輸入口選 IN0，其空間地址為 7FF8H。其原理圖如圖 6。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活 ，與單片機接口簡單易行。圖 7 a 為 英尺 LED 數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對應 a～ g 筆段構成“ ”字形另一只發(fā)光二極管 dp作為小數(shù)點。 圖 7 LED 數(shù)碼管 LED 數(shù)碼管按電路中的連接方式可以分為共陰極和共陽極兩大類，如圖 27 b、 c 所示。 LED 數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)其材料不同正向壓降一般為 ～ 2V額定電流為 10mA，最大電流為 40mA。 LED 數(shù)碼管編碼方式 當 LED 數(shù)碼管與單片機相連時，一般將 LED 數(shù)碼管的各筆段引腳 a、 b、?、 g、 dp 按某一順序接到 MCS－ 51 型單片機某一個并行 I/O 口 D0、 D?、 D7，當該 I/O 口輸出某一特定數(shù)據(jù)時，就能使 LED數(shù)碼管顯示出某個字符。 表 2 共陽極 LED數(shù)碼管顯示數(shù)字“ 0”時各管段編碼 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 字段碼 顯示數(shù) 12 dp g f e d c b a 1 1 0 0 0 0 0 0 C0H 0 C0H 稱為共陽極 LED 數(shù)碼管顯示“ 0”的字段碼，不計小數(shù)點的字段碼稱為七段碼，包括小數(shù)點的字段稱為八段碼。甚至在某些特殊情況下將 a、 b、?、 g、 dp 順序打亂編碼。 表 3 共陰極和共陽極 LED數(shù)碼管幾種八段編碼 共陰順序小數(shù)點暗 共陰逆序小數(shù)點暗 共陽順序 小數(shù)點亮 共陽順序 小數(shù)點暗 dp g f e d c b a 16進制 a b c d e f g dp 16 進制 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH 40H C0H 1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 0 1 1 0 0 0 0 0 60H 79H F9H 2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 1 1 0 1 1 0 1 0 DAH 24H A4H 3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 1 1 1 1 0 0 1 0 F2H 30H B0H 4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 19H 99H 5 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH 1 0 1 1 0 1 1 0 B6H 12H 92H 6 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH 1 0 1 1 1 1 1 0 BEH 02H 82H 7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 1 1 1 0 0 0 0 0 E0H 78H F8H 8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH 00H 80H 9 0 1 1 0 1 1 1 1 6FH 1 1 1 1 0 1 1 0 F6H 10H 90H LED 數(shù)碼管顯示設計 LED 數(shù)碼管顯示電路在單片機應用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。即每一位顯示器的字段需要一個 8 位 I/O 口控制，而且該 I/O 口須有鎖存功能， N位顯示器就需要 N個 8位 I/O 口，公共端可直接接 +5V（共陽）或接地（共陰）。也就是各字 13 段的亮滅狀態(tài)不變。 ② 動態(tài)掃描顯示方式。所謂動態(tài)掃描顯示電路是將顯示各位的所有相同字段線連在一起，每一位的a 段連在一起， b 段連在一起? g 段連在一起，共 8 段，由一個 8 位 I/O 口控制，而每一位的公共端（共陽或共陰 COM）由另一個 I/O 口控制。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位暗。由于人的視覺滯留效應，人們看到的是多位同時穩(wěn)定顯示。顯示器由 3個共陽極 LED 數(shù)碼管組成。若想使 LED 發(fā)光則必須保證有足夠大的電流流過 LED 的各段。為 LED 顯示器提供電流的電路稱為 LED 的驅動電路。 驅動電路可采用分立元件電路，也可采用集成驅動電 路，此外有些硬件譯碼電路本身包括驅動電路。因此采用分立元件的顯示驅動電路也很簡單。 圖 8 LED 數(shù)碼管顯示原理圖 A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS2K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS3K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS19012 9012 9012470KR15470KR16470KR17470KR18470KR19470KR20470KR211KR251KR231KR2