智能温度检测器

智能仪器的原理和应用主题1: 智能温度检测器的学生姓名. 同一小组的讲师ѧ2016 2016年11月9日，2016年9月9日2016-2017学年第一学期结果: 1.设计要求1.1，任务要求使用温度传感器PT100，恒流源电路，放大电路，A / D转换电路和数码管. MCS-51系列单片机用于温度信号的采集，处理和显示. 1.2. 设计特定功能要求1.设计三线制PT100和恒流源驱动电路； 2.放大比较电路设计，实现-10°C〜+ 100°C转换为0〜+ 5V电压输出； 3. ADC芯片的选择和单片机的接口设计； 4.多位数码管动态显示设计； 5.编译数据处理程序和比例转换程序. 2.设计主题的介绍和分析温度是自然界中与人类相互作用最多的物理参数之一. 无论是在生产实验场所还是在住宅和休闲场所，温度采集或控制都是非常频繁且重要的温度测试仪工业用，并且网络很远. 收集温度和报警是现代技术发展的必然趋势. 由于温度与物理量本身或人们的实际生活密切相关，因此将相应地生成温度传感器. 该传感器主要用于测控系统，其性能直接影响系统的性能. 从使用角度来看，温度传感器大致可分为两类: 接触式和非接触式. 被测物发出的红外线可以达到测温的目的.

由于PT100热电阻的温度和电阻值之间的关系，人们使用此功能发明和生产PT100热电阻温度传感器. 它是集成了温度和湿度收集的智能传感器. 温度的收集范围可以是-200℃〜+ 200℃，湿度的收集范围是0％〜100％. pt100温度传感器是将温度变量转换为可以传输的标准化输出信号的仪器. 它主要用于工业过程温度参数的测量和控制. 带传感器的变送器通常由两部分组成: 传感器和信号转换器. 传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元，信号处理和转换单元组成（由于工业热阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器也称为独立产品变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能. 这次我们使用结合温度传感器技术的MCS-51系列单片机来设计此智能温度检测器. 在-10°C〜+ 100°C的温度范围内实现温度检测. 3.设计方案演示了智能温度检测器的设计，包括硬件和软件的设计. 具体包括: 三线制PT100和恒流源驱动电路设计，放大和比较电路设计，实现-10°C〜+ 100°C转换为0〜+ 5V电压输出，选择ADC芯片和与MCU的接口设计，多数字显示动态显示设计，编写驱动程序，编写数据处理程序和比例转换程序.

在本设计中，将电阻PT100用作温度传感器，采用恒流温度测量方法，并使用单片机进行控制，并通过放大器和A / D转换器收集温度信号. . 设计系统主要包括温度信号采集单元，单片机数据处理单元和温度显示单元. 系统的总体框图如图3-1所示. 信号放大电路A / D转换电路数字管恒流源电路MCS-51单片机PT100温度传感器图3-1系统总体结构框图4.具体硬件设计说明4.1三线制PT100和恒流源驱动电路设计对于热阻，我们在测量电路中使用三线测量电路. 在三线式PT100中，电阻的一端是一根线，另一端与该线连接. 三根线的电阻相等. 如图4-1所示，电桥电路中使用了恒定电流源. 图4-1三线式PT100和恒流源驱动电路在图4-1中，差分电压仅与PT100的电阻有关，因此您只需通过减法电路获得V1和V2之差，并且然后通过放大电路，可以输入到A / D转换器. 4.2放大器电路和比较电路设计图4-2差分放大器电路该放大器电路可以使用差分放大器电路将-10℃-100℃的电压输出转换为0-5v，如图4-2所示. 4.3 ADC芯片的选择和与单片机的接口设计PT100温度传感器是由铂（Pt）制成的电阻温度传感器，属于正电阻系数. 由于其电阻与温度的线性关系非常好，如图4所示，如图-3所示，它看起来非常接近直线.

因此，在较小测量范围内，电阻与温度变化之间的关系如下: R = Ro（1 +αT）其中α= 0.00392，Ro为100Ω（0℃时的电阻值），T为华氏温度. 但是对于这种设计，这种准确性显然是不够的. 还发现以下关系表达式. 其电阻与温度之间的关系可以通过以下公式进行近似: 在0〜100℃的范围内: Rt = Ro（1 + At + Bt2）在-10〜0℃的范围内: Rt = Ro（1 +在+ Bt2 + C（t-100）t3）处，其中A，B和C为常数，A = 3.96847×10 ^ -3; B = -5.847×10 ^ -7; C = -4.22×10 ^ -12;因此，该设计的最高电阻值约为RH = R0（1 + At + Bt2）. 图4-3 PT100电阻-温度变化图= 100（1 + 3.96847×10 ^ -3 * 100 + -5.847×10 ^ -7 * 100 * 100）≈139.1Ω最小电阻值约为RL = R0（1 + At + Bt2 + C（t-100）t3）= 100（1 + 3.96847×10 ^ -3 * -10 + -5.847×10 ^ -7 * -10 * -10 + -4.22×10 ^ -12）跨度相对湿度96.03Ω-RL =43.07Ω，跨度温度为110℃，采样精度1表示几乎110个采样点，每个采样点的平均电阻为0.392Ω.

通过参考PT100的使用说明书，我们知道PT100的工作电流不应超过1mA，因此应检测两端电压值变化的最大分辨率: 1mA *0.392Ω= 0.392mVPT100整个电压范围约为0.096V〜0.139V. 需要用7位二进制表示110个采样点，因此AD转换器需要7位或更高的分辨率. 在这里，使用8位ADC0809芯片: ADC0809具有用于转换器，8路多路复用器和与微处理器兼容的控制逻辑的8位A / D CMOS组件. 它是一个逐次逼近型A / D转换器，可以直接与单片机[11]连接. （1）ADC0809的内部逻辑结构从图2-9可以看出，ADC0809由一个8通道模拟开关，一个地址锁存器和，一个A / D转换器和一个三态输出锁存器组成. 该多通道开关可以选择8个模拟通道，从而允许8个模拟分时输入并共享A / D转换器进行转换. 三态输出锁存器用于锁存A / D转换后的数字值. OE端子为高电平时，可以从三态输出锁存器获取转换后的数据. （2）引脚说明`IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 ABCALE 8通道模拟开关地址锁存器和ST CLK 8通道A / D转换器VREF + VREF三态输出锁存器OEEOCD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7图4 -4 ADC0809的内部逻辑4-5 ADC0809 IN0-IN7的引脚图: 8个模拟输入通道，ADC0809对输入模拟量的要求: 信号单极性，电压范围为0-5V，如果信号太小，则必须被放大在转换过程中，输入模拟量应保持不变. 如果模拟量变化太快，则需要在输入之前添加一个采样保持电路.

地址输入和控制线: ALE是地址锁存使能输入线，高电平有效. 当ALE线为高电平时，地址锁存器和锁存三个地址线A，B和C的地址信号，并且所选通道的模拟量在解码后转换为转换器. A，B和C是地址输入线，用于选择IN0-IN7上的一个模拟输入. 通道地址表如下表4-6所示. CBA选择通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表4-6通道地址表字输出和控制线: ST是转换开始信号. 当ST的上边缘出现时，所有内部寄存器均被清除；当下降沿开始时，A / D转换开始；在转换过程中，ST应保持在低电平. EOC是转换结束信号. 当EOC高时，表示转换结束；反之，则结束. 否则，表明正在进行A / D转换. OE是输出使能信号，用于控制三个输出锁存器以将转换后的数据输出到微控制器. OE = 1，输出转换后的数据； OE = 0，输出数据线处于高阻抗状态. D7-D0是数字输出线. CLK是时钟输入信号线. 由于ADC0809内部没有时钟电路，因此所需的时钟信号必须由外界提供，频率通常为500KHZ. VREF（+）和VREF（-）是参考电压输入.

单片机我们使用MCS-51单片机. ADC0809引脚和单片机接口的设计如下: （1）ADC0809内部具有输出锁存器，可以直接连接到MCS-51单片机. （2）在初始化期间，将ST和OE信号都设为低电平. （3）将要转换的通道的地址发送到A，B和C端口. （4）在ST端子上给出至少100ns宽的正脉冲信号. （5）转换是否完成，我们根据EOC信号进行判断. （6）当EOC变为高电平时，则OE为高电平，并将转换后的数据输出到微控制器. 在这里我们选择MCS-51系列8031 MCU. 图4-7显示了ADC0809与MCU 0821之间的接口电路. 图4-7 ADC0809与MCU 8031之间的接口电路4.4多位数字管动态显示设计LED数字管是一种以发光二极管为准的数字显示设备. 显示字段. 图4-8显示了一个0.5英尺长的LED数字管的外形和引脚图，其中七个发光二极管分别对应于笔段a至g，另一个发光二极管dp形成为小数. 点. 因此，这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管. 图4-8 LED数码管LED数码管的显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示模式和动态显示模式.

此设计选择动态扫描模式下的六位七段LED显示屏. 接口电路如图4-9所示. 接口芯片采用8155，其中PA端口用于输出段码，PB端口用于输出位选择码. 地址分别是FD01H和FD02H. 图4-9 LED数字管显示电路5.软件设计说明该设计用C51高级语言编写，因为它提供了包括许多标准子例程在内的库函数，具有强大的数据处理能力，关键字和控件的传递方法更加接近人类. 思维方式不依赖于机器硬件系统本身，因此很容易移植. 5.1各部分程序流程图主程序流程图: 主要实现系统初始化，信号放大，A / D转换和显示数据. 主程序流程图如图5-1所示. 启动系统初始化. PT100温度数据采集A / D转换器处理读取的数据并将其发送到LED显示屏. 图5-1主程序流程图. 温度转换程序流程如图5-2所示. 启动初始化功能的A / D转换. 器件执行A / D转换并将转换后的电压转换为温度. 图5-2的温度转换程序流程图如图5-3所示. 启动系统初始化，调用温度子程序，调用显示子程序，然后调用扫描键程序. 图5-3显示子程序VI. 测试和调试整个温度检测系统由一个测控电路，一个放大电路，一个数模转换电路和一个显示部分组成. 显示部分采用单芯片板，因此电路的设计主要是测控放大，数模转换.

连接测控电路和放大器电路以进行组合调试. 将测量和控制电路的可调电阻调整为100Ω，然后两个桥臂的电阻相等，输出电压为2.5V，电压差为0，则ADC0809的输出也为0. 测控部分的可调电阻和ADC0809的两个可调电阻. 仪表放大器的输出将线性变化. 如果发生这种现象，则电路是正确的. 在实际的焊接过程中，它并不那么平滑. 桥接电路的输出电压是正确的，但是当电路连接到放大器时，无论如何调节电阻，输出都会饱和，无论是否连接参考电压. 最终没有发现问题，所以我不得不再次焊接两个零件. 焊接后的现象是正确的. 将AD623的输出电压连接至ADC0809，并连接至显示电路，设计显示程序温度测试仪工业用，然后将AD623的输出电压显示至数字电子管. 显示的结果是正确的，但是如果调整了焊接电路的可调电阻，则数字管的显示将不会更新. 检查电路后，发现其中一个针脚已焊接. 用焊料将断开的部分连接后，通过调试电路，并更换了铂热电阻. 连接温度传感器后，就可以实现温度测量的基本功能，并且可以通过LED显示屏读取温度值. 但是，由于理论与实际不能完全对应，因此温度测量值的误差较大. 稍作修改后，偏差可以控制在2度以内，这不会影响正态指数分析. 可以说精度还是很高的.

7. 总结经过多次修改，该设计基本上可以满足设计要求. 由于知识的局限性以及软件和硬件的局限性，系统不可避免地会带来一些误差，但是可以通过调整和精确计算来减少误差. 尽管这次设计相对紧凑，但是从系统知识中吸取的知识使我对MCS-51微控制器和ADC0809芯片有了更好的了解. 基本上设计出了满足要求的智能温度探测器. 8.附录程序清单: 主要由A / D转换程序，温度显示程序，水垢转换程序，数据处理程序等程序组成.

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