基于PT100传感器的温度测量系统的设计.doc

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信息与控制工程学院硬件课程设计说明书

基于PT100传感器的温度测量系统的设计

学生学号：

09540216

学生姓名：

张瑞秋

专业班级：

测控0902

指导教师：

金炳涛

职称：

讲师

起止日期：

2012.3.5～2012.3.25

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

信息与控制工程学院硬件课程设计说明书

课程设计任务书

一、设计题目：

基于PT100传感器的温度测量系统的设计

二、设计目的：

1.通过实验加深理解PT100测温原理及PT100的调理电路；

2.掌握基于PT100温度传感器的测温系统的结构及组建方法，电路板的焊接及检测；

3.编写相关程序并进行调试，完成测温功能；

4.增强学生动手实践能力。

三、设计任务及要求

设计并实现温度传感器。

1.根据各器件的原理，制定相关方案，掌握各器件的工作原理；

2.参与设计过程，编写驱动程序，下载到单片机进行调试并完成相关功能；

3.完成硬件设计论文。

四、设计时间及进度安排

设计时间共三周（2012.3.5～2012.3.25）,具体安排如下表：

周安排

设计内容

设计时间

第一周

查找相关资料，制定设计方案，画出电路图，根据电路图进行电路板的焊接及检测

2012.3.5

～

2012.3.11

第二周

找相关资料，编写软件程序，进查行调试并完成功能

2012.3.12

～

2012.3.18

第三周

撰写并修改设计论文，直至完成

2012.3.19

～

2012.3.25

五、指导教师评语及学生成绩

指导教师评语:

年月日

成绩

指导教师（签字）:

目录

基于PT100传感器的温度测量系统的设计 1

课程设计任务书 I

目录 II

第1章概述 1

第2章硬件设计及相关介绍 2

2.1温度传感器系统框图 2

2.2PT100传感器原理简介 2

2.3直流电源模块 3

2.4A/D转换模块 3

2.5数据控制处理模块 4

2.6显示模块 5

2.7串口电路及MAX232芯片简介 6

2.7.1MAX232芯片简介 6

2.7.2串口电路 7

第3章软件设计 8

3.1程序流程图 8

3.2初始化程序 8

3.2.1单片机初始化程序 8

3.2.2液晶显示模块初始化程序 9

3.3液晶显示 10

3.4温度与电阻值的求取 11

第4章误差与数据分析 12

结论 13

致谢 14

参考文献 15

-13-

第1章概述

随着科学技术的发展，传感器技术的应用领域越来越广泛，需求越来越迫切，对其要求也越来越高。

因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。

因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。

另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的传感器系统不断涌现，温度传感器是其中重要的一类传感器，发展速度快，应用广，并且还有很大潜力。

本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。

文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地阐述了利用电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以及实现热电转换的原理过程。

本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量显示系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、生产温度监控系统等等。

本课题主要任务是完成环境温度监测显示温度,具有操作方便，控制灵活、移植性强等优点。

本设计系统主要包括以下五大模块

（1）温度传感器（使用芯片PT100）

（2）直流电源电路模块

（3）A/D转换模块（使用芯片ICL7135）

（4）数据处理（使用单片机SST89E51）

（5）显示模块（使用液晶模块NOKIA5110）

第2章硬件设计及相关介绍

2.1温度传感器系统框图

温度传感器它的主要功能是把模拟信号通过A/D转换电路转换成相应的数字信号，然后通过单片机的处理和运算，在LCD显示器进行显示。

设计原理及流程图如图2.1所示：

单片机

LCD液晶显示模块

AD转换电路

时钟电路

复位电路

信号放大调理电路

PT100温度传感器

图2.1系统结构框图

2.2PT100传感器原理简介

PT100传感器，是一种以铂（Pt）作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数，可以工作在-200℃至650℃的范围，其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro（1+αT）

其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度。

PT100温度传感器测量范围广，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，得到了广泛的应用，本设计采用PT100作为温度传感器。

主要技术指标：

1.测温范围：

-200℃~+650℃；

2.测温精度：

0.1℃；

3.稳定性：

0.1℃。

PT100测温的本质是测量传感器的电阻，将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。

本设计采取的方案是设计一个恒流源，使其接通PT100传感器，并检测PT100上的电压的变化来换算出温度。

以PT100作为温度传感器，采用恒流测温，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。

2.3直流电源模块

横流电压源的基本工作原理为：

交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电源。

电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。

如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出电压减直流稳压电源一般是线性稳压电源，其特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。

本设计采用固定输出集成恒流电路，电路图如图2.2所示：

图2.2恒流源电路

2.4A/D转换模块

　　A/D转换模块由芯片ICL7135及外围电路构成，电路图如图2.3。

图2.3A/D模块电路图

　　ICL7135是一种四位半的双积分A/D转换器，可以转换出±20000个数字量，有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便，具有精度高（相当于14位A/D转换），价格低的优点．其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：

自校准（调零），正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10001个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）。

故本设计采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数。

将计数的脉冲个数减10000，即得到对应的模拟量。

图2.4给出了ICL7135时序，由图可见，当BUSY变高时开始正向积分，反向积分到零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。

图2.4ICL7135时序

2.5系统控制芯片

单片机SST89E51引脚及功能

.P0口：

双向8位三态I/O口，地址总线及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

.P1口：

8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

.P2口：

8位准双向I/O口，与地址总线复用，可驱动4个LS型TTL负载。

.P3口：

8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

.RST/VPP：

RST是复位信号输入端，高电平有效。

VPP为本引脚的第二功能，即备用电源输入端。

.ALE/PROG：

ALE输出为地址锁存允许信号。

PROG为本引脚的第二功能。

.PSEN：

程序存储器允许输出控制端。

EA/VPP：

EA功能为内外程序存储器选择控制端。

此设计中，采用定时计数器0（INT0）外部脉冲计数方法，通过公式：

C=Vin*10000/Vref

图2.5SST89E51引脚图

2.6显示模块

液晶显示接口电路如图2.6，采用NOKIA5110，所有必须显示的功能集成在一块芯片上。

图2.6液晶接口电路

NOKIA5110引脚功能如下表：

表2.1

D/C

数据/命令选择端

SDIN

串行数据输入端

SCLK

串行时钟输入端

GND

地端

液晶模块串行写/读数据时序：

图2.7串行总写协议——传送一个字节

图2.8串行总写协议--传送读个字节

2.7串口电路及MAX232芯片简介

2.7.1MAX232芯片简介

MAX232是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

MAX232引脚介绍

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

图2.9MAX232引脚图

2.7.2串口电路

图2.10串口电路

第3章软件设计

3.1程序流程图

本设计需要比较清晰地思路，其程序设计流程图如下：

图3.1程序框图

3.2初始化程序

3.2.1单片机初始化程序

在本系统中需要使用单片机的计数器和外部中断，故对单片机进行初始化设置。

初始化时应设置计数器0为16位计数模式，GATE位设置为1，外部中断0引脚为高电平时开始计数，中断的初始化应该打开外部中断及总中断允许位，外部中断0的触发方式为下降沿触发：

Voidmain（）

{

TMOD=0X0D;//1101，设置定时器0为16位计数器模式

TH0=0;//清空计数器

TL0=0;

EX0=1;//开外部总中断

IT0=1;//设置外部中断0为下降沿触发方式

TR0=1;//启动计数器，等待busy端高电平开始计数

EA=1;//开总中断