基于PT10测温系统设计毕业设计.docx

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基于PT10测温系统设计毕业设计

基于PT10测温系统设计——毕业设计

摘要

本设计是基于单片机的温度测量系统，具体采用了AT89S51单片机作为核心器件，PT100作为温度传感器，采用TLC2543来实现模拟信号到数字信号的转变，用四位共阳极LED数码管作为显示器。

根据该温度传感的特性，将温度的变化转换为电压变化，然后结合理论计算，设计调理电路，将输出的模拟信号进行A/D转换，在将数字信号传送到单片机进行处理，并把最终数值通过数码管显示，整个过程中使用protues软件进行仿真来进行调试，并检验设计成果。

关键字：

AT89S51单片机TLC2543PT100调理电路

1方案设计

1.1设计要求

设计一个测温系统，要求测温范围200～500℃，分辨率为1℃；

画出系统结构框图，说明各电路的作用，系统实现的功能；

选择一种合适的温度传感器，说明选择理由；

④说明该温度传感器的工作原理，推导输入输出关系式；

⑤设计模拟信号调理电路，推导温度输入和调理电路输出的表达式；

⑥选择A/D转换器，计算放大器的放大倍数；

⑦设计人机接口电路，（参数如何设置？

数据如何显示？

）；

⑧绘制基于单片机的温度测量系统的硬件电路图；

⑨所采用测量数据的基本处理算法的流程图以及程序设计；

⑩证明所设计的系统能够达到测温范围和分辨率的要求。

1.2系统框图及原理

图1-1系统的总结构框图

该系统的设计原理为：

通过感温元器件可以将温度信号转换为电信号，一般选用电压信号，将电压信号经过滤波、放大达到一定要求之后就可以进行A/D转换，从模拟信号变成单片机可以识别和直接处理的数字信号，单片机经过一系列的算法，根据所采得的数字信号的值，反推温度出温度传感器所在环境的温度，并通过LED数码管显示相应的温度。

1.3器件的选型及介绍

1.3.1温度传感器的选型

温度传感器可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类，非接触式温度传感器如红外温度传感器一般价格较为昂贵，适用于特备精密的场合，在本设计中明显不符合要求，故采用接触式温度传感器来完成本次设计任务。

常用接触式温度传感器主要有热电偶、热电阻以及集成温度传感器三大类：

○热电偶

热电偶的测温原理：

两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度，而这种电动势称为热电动势。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

但由于热电偶普遍的线性度不太好，而且需要做冷端补偿，这样以来增加了电路设计的复杂性，且也给软件编程带来了不方便之处。

○集成温度传感器

集成温度传感器可分为模拟式温度传感器和数字式温度传感器，前者是将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，具有实际尺寸小、使用方便、灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，常用的模拟式温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103、AD590等；数字式温度传感器将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出反应被测温度的数字信号，使用方便，但响应速度较慢。

但除了集成温度传感器价格较高之外，一般集成温度传感器的测温范围-55℃～+150℃，远达不到本次设计所要求的200℃～500℃，故本次设计中不能应用集成温度传感器。

○热电阻

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

现阶段主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻一般适用于-200℃～500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠。

半导体热敏电阻测温范围只有-50℃～300℃左右,且互换性较差，非线性严重，但温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上）。

故对于本次设计要求的来看，只能采用金属热电阻。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：

铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150℃易被氧化，所以对于要测量150℃以上的温度，宜采用铜电阻，其代表产品就是PT100。

PT100精度高，线性度较好，测温范围广，价格相对不高，是本次设计的首选温度传感器。

PT100温度传感器是一种以铂（Pt）做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,

其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～650℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2）

在-200～0℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）

式中A、B、C为常数，

A=3.96847×10-3；

B=-5.847×10-7；

C=-4.22×10-12；

由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内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为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。

PT100温度传感器的测量范围广：

-200℃～650℃，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，其得到了广泛的应用，本设计即采用PT100作为温度传感器。

1.3.2A/D转换器的选型

鉴于本次设计要求测温系统的分辨率为1℃，测温范围是200～500℃，所以很明显若采用8位的A/D转换器，其分辨率为1.17℃，不满足要求，本设计可采用德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器TLC2543，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。

TLC2543的主要性能为：

①逐次逼近ADC,可选择工作于12位或8位；

②转换后的数据有12位一次读出，８位、４位两次读出两种读出方式；

③具有可控三态输出缓冲器,TTL电平。

④非线性误差：

AD574AJ为±1LSB,AD574AK为±1/2LSB；

⑤转换时间:

最大转换时间为25us（中档速度）；

⑥输入模拟信号:

单极性时,范围为0V～＋10V和0V～＋20V,从不同引脚输入。

双极性输入时,范围为0V～±5V和0V～±10V,从不同引脚输入。

1.3.3显示器选型

鉴于本设计的只需要显示温度的大小，且需要显示的温度范围在200～500℃间，对精度的要求不太高，可以直接采用四位数码管显示，最后采用了7SEG-MPX2-CA四位共阳极LED数码显示器。

2硬件电路的设计

2.1信号测量电路

根据设计要求，首先需将温度传感器由温度信号转换为的电信号进行处理，使之能够稳定的映射到A/D转换器的功能。

鉴于一般使用的都是利用电压信号，而PT100的感温原理是其电阻随温度的变化而变化，为此我们可以使一恒流源串联PT100，然后输出其两端的电压信号。

之所以选择串联恒流源的方式，主要是考虑到这样来，输出电压和PT100的电阻值直接成正比关系，有很好的线性，而若采用电桥输出的话，输出电压和PT100的电阻值的关系是非线性的，对于测量精度来讲不太合适，而51单片机处理除法的计算能力较差，这样做会降低系统的反应速度。

图2.1测量电路

该恒流源是基于LM324进行的设计，通过运放的“虚短”和“虚断”的原则，可以很容易的计算出，流过PT100的电流大小：

I=UN+/R1

式中UN+指的是LM324的正相端输入电压，由图可以发现UN+是由TL431组成的电路输出所得，结合滑动变阻器RV2的配合，可以使其输出电压为4.096V，之所以要使输出电压为4.096V，是因为我们所选的A/D转换器是12位的，2的十二次方刚好等于4096，将基准电压设定为4.096V，可以减小进行A/D时的误差。

下面对该电路中使用的LM324以及TL431芯片进行一些简单的介绍。

○LM324

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。

两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。

○TL431

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等，其特点如下：

①可编程输出电压为36V；

②电压参考误差：

±0.4％；

③典型值@25℃（TL431B）；

④低动态输出阻抗，典型0.22Ω；

⑤负载电流能力1.0mAto100mA；

⑥等效全范围温度系数50ppm/℃典型；

⑦温度补偿操作全额定工作温度范围；

⑧低输出噪声电。

2.2信号调理电路的设计

信号调理电路需要完成对信号的放大、滤波和偏置放大等任务，是信号实现远传的根本所在，也是单片机对原始信号进行处理前的必备流程，从某种意义上讲，信号调理电路是提高整个系统稳定性和测量精度的根本所在。

2.2.1首级放大电路

根据计算公式Vin=4.096*Rpt100/2k，式中Rpt100表示的是PT100在特定温度下的电阻值，由于需要测量的温度范围为200～500℃，查表可知，其电阻值的大小为175.86Ω280.98Ω之间，这样以来可知用恒流源通过PT100的输出的电压很小，大概为0.36～0.58V之间，不方便直接作为输入，故需要进行信号放大。

图2.2首级放大电路

该放大的电路的设计基于OP07C实现，Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

此电路的设计，充分考虑到了对OP07C供电电源的滤波，以及运放输入电阻平衡的要求，结合运放的特点，经过简单的分析便可知，该放大电路为反相放大器，具体放大倍数为10倍。

2.2.2偏置放大电路

经过首级放大电路的处理后，通过计算可以知道输出电压U1N大小为3.65～5.75V，为了方便，我们所用的A/D转换芯片的基准电压为5V，故需要将首级放大的输出电压拓展为0～5V。

为实现这个目的，可以先对U1N进行偏置得0～2.1V，然后对这个范围的电压进行2.4倍的信号放大。

本设计的偏置放大电路的设计便是围绕着这种思想设计而来。

图2.3偏置放大电路

该电路的设计原理介绍如下：

在本设计的实际应用中，运放的同相端设置了两个输入电压，一个为首级放大电路的输出电压U1N，另一个是利用滑动变阻器分压而得的一个电压值-3.64V，然后令Ra=Rb=2k，Rf=4.8k，使运放的输入电阻满足Ra//Rb//R’=R1//Rf，这样就达到了偏置和放大的要求，在误差允许的范围之类，完全可以满足所需要求。

2.3A/D转换电路

前面已经介绍，设计选用的A/D转换芯片为TLC2543，其引脚排列如图所示。

图2-4TLC2543的引脚

AIN0～AIN10：

模拟输入端，由内部多路器选择。

对4.1MHz的I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50Ω，而且用60pF电容俩限制模拟输入电压的斜率。

　　CS：

片选端。

在CS由高到低变化时，将复位内部计数器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。

CS由低到高的变化时，将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK。

　　DATA INPUT：

串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/O CLOCK将余下的几位依次输入。

　　DATA OUT：

A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平。

EOC：

转换结束端。

在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输。

　　VCC、GND：

电源正端、地。

　　REF＋、REF－：

正、负基准电压端。

通常REF＋接VCC，REF－接GND。

最大输入电压范围取决于两端电压差。

　　I/O CLOCK：

时钟输入/输出端。

TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。

在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程，I/O CLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿时数据变化。

当CS为高时， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT为高阻态。

本设计中TLC2543与单片机的连接如图所示。

图2.5A/D转换电路

2.4单片机电路及显示电路

图2.6单片机电路及显示电路

本设计使用51单片机为核心器件，其中P1口（P1.0~P1.3）为A/D转换器的通信接口，P2口接数码管的段码，P3口（P3.0~P3.3）接数码管的片选端，即负责确定位码。

对于单片机而言，需要构建其最小系统。

3软件设计

进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。

因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。

对于本系统而言，软件设计主要包括信号采集程序、信号处理程序、显示程序及主程序三大部分。

3.1信号采集控制程序

3.1.1信号采集全过程

上电后，片选cs必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。

开始时，片选CS为高，IO_CLOCK、DATA_INPUT被禁止，DATA_OUT呈高阻状态，EOC为高。

使CS变低，IO_CLOCK、DATA_INPUT使能，DATA_OUT脱离高阻状态。

12个时钟信号从IO_CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATA_INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543（高位先送入）同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATA_OUT一位一位地移出。

TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。

在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10微秒，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。

此后，可以进行新的工作周期。

3.1.2程序流程图

图3.1信号采集控制程序流程图

3.1.3程序代码为

sbitCS=P1^2;//2543/CS

sbitIO_CLOCK=P1^3;//2543IOCLOCK

sbitDATA_IN=Pl^1;//2543DATAIN

sbitDATA_OUT=P1^0;//2543DATAOUT

unsignedintad_data;

sbitbit0=ad_data^8;

sbitbit7=B^7;

uintread2543（unsignedcharport）//A/D转换子程序

{unsignedchardataI;

ad_data=0;

port=port<<4;//端口高4位与低4位交换

B=port;

IO_CLOCK=0;

CS=1;

DATA_IN=0;

DATA_OUT=0;

CS=0;

delay（）;

for（i=1;i<=12;i++）//12位DATAINPUT

{DATA_IN=bit7;

IO_CLOCK=1;

B=B<<1;

IO_CL0CK=0;

}

CS=1;

delay（）;

CS=0;

delay（）;

for（i=1；i<=12；i++）//12位DATAOUTPUT

{bit0=DATA_OUT;

IO_CLOCK=1;

IO_CL0CK=0;

ad_data=ad_data<<1;

}

ad_data=ad_data>>1;

return（ad_data）;

}

3.2信号处理

由于PT100的温度和所对应的电阻值的关系，并不是完全线性的，这里我们对其进行简单的线性化处理，具体是在200～300℃、300～400℃、400～500℃这三个温度范围内，将温度和电阻值的关系看做是一个正比例关系，这在编程上也容易实现。

经检验，此方法的误差很小，可以满足设计要求。

程序代码为：

uintdata_deal（uintAD）

{

floatr,ad,t;

uintT;

ad=（float）AD;

r=175.86+0.0257*ad;

if（r<175.86）t=200;

elseif（r>=175.86&&r<212.05）t=2.759*r-284.3;

elseif（r>=212.05&&r<247.09）t=2.849*r-303.4;

elseif（r>=247.09&&r<280.98）t=2.946*r-326.2;

elset=500;

return（T）;

}

3.3数码管显示程序

uchartable[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//共阳LED段码表

uchartable_[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//带小数点共阳LED段码表

uchartable1[]={0x01,0x02,0x04,0x08};//位码

voidDisplay（uinttemp）//温度显示

{

qian=temp/1000;//取小数位数字

bai=temp%1000/100;

shi=temp%100/10;//取个位数字

ge=temp%10;

//动态扫描显示各位数字，P3.1-P3.4口输出位码

P3=0x00;

P2=table[qian];

P3=table1[3];

delay

（2）;

P3=0x00;

P2=table[bai];

P3=table1[2];

delay

（2）;

P3=0x00;

P2=table_[shi];

P3=table1[1];

delay

（2）;

P3=0x00;

P2=table[ge];

P3=table1[0];

delay

（2）;

}

3.4系统主程序

3.4.1主程序流程图

图3.2主程序流程图

3.4.2程序代码

voidmain（）

{

while

（1）

{

Display（data_deal（read2543（port）））;

}

}

4仿真调试

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。

该软件的特点如下：

①具有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统（不高于ARM7）设计与仿真功能；

②具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能；

③具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表；

④支持KeilC51uVision2、MPLAB等第三方的软件编译和调试环境；

⑤具有强大的原理图到PCB板设计功能，可以输出多种格式的电路设计报表；拥有PROTEUS电子设计工具，就相当于拥有了一个电子设计和分析平台；

⑥集原理图设计、仿真和PCB设计于一体，真正实现从概念到产品的完整电子设计工具。

该系统设计过程中，利用keilC51uVision2将编写的C程序输出为.hex文件，然后再反正过程中，将该文件导入到51单片机中。

按照设计方案接连好线之后，在需要测量的地方放置模拟的电压表、电流表以及电压探针，便于分析设计电路中存在的不足，并立即进行相应的改善。

4.1仿真结果

在仿真界面中，先设定PT100的温度，然后将其与数码管的显示的数值进行比较，记录测量的六组数据如下表所示：

表4-1仿真结果记录

设定温度℃

200

250

300

350

400

500

显示温度℃

201.2

249.2

300.9

352.5

404.3

496.1

误差值℃

1.006

0.8

0.9

2.5

4.3

3.9

误差率%

0.53

0.32

0.3

0.714

1.07

0.78

4.2综合分析

4.2.1温度输入与调理电路的输出关系

设在温度T下，PT100的电阻值为RT，由于PT100是串联的一个恒流源，且该恒流源的电流大小为：

I=4.096V/2K，则PT100两端输出的电压为Vin=RT*4.096V/2K。

接着该电压经过首级放大，放大倍数为10倍，故经过首级放大电路之后，输出电压

U1N=RT*40.96V/2K，再然后该电压信号经过偏置放大电路（偏置放大电路的原理和设计方法前面有详细介绍），最终调理电路的输出表达式为：

Vo=2.4[（RT*4.096V/2K）-3.64]V

4.2.2误差分析

根据上述仿真结果可以看出，虽然本设计的误差率不是很明显，但根本上来讲，测量精度上存在很大缺陷。

现对误差产生的情况分析如下：

首先是仪器设备的原因，毕竟理想的元器件是不存在的，从仿真调试的情况来看，运放的理论放大倍数和实际放大倍数就存在一定的区别，为偏置放大电路的设计中，根据滑动变阻器的分压也无法得到理论上精确的-3.64V，而且导致的偏差还会被放大。

两外，设计的恒流源也无法做到真正的恒流，当PT100的温度设定的较高时，可以观察到流过PT100的电流会发生微小的下降。

虽然这些影响都不是很大，但对于12位、基于5V电压的A/D转换器来讲，微小的误差已经足够影响到其转换的数字信号的输出。

另外，在程序里面关于数据的处理问题，采用的是分段线性的办法，虽说PT100