测控电路课程设计：温度测量控制系统

-1-测控系统设计论文题目：温度测量控制系统学生姓名：刘涛学号：0807250223院（系）：自动化工程学院专业：测控技术与仪器2011年4月-2-1摘要温度的测量是生产生活中时常需要的工作，进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。Abstract:Temperaturemeasurementistheproductionoflifeoftenneedtowork,inthe21stcentury,thetemperaturesensorisheadedinhighprecision,multi-function,bus,standardization,highreliabilityandsafety,developmentvirtualsensorandnetworksensor,researchmonolithictemperaturemeasuringsystemandotherhigh-techdirectiondeveloprapidly.关键词：Highprecision,multi-function,bus,standardization,highreliabilityandsafety1.1指导思想本课题以PT100热电阻为温度检测元件，设计了一个对单点温度实时检测的单片机温度检测系统。1.2基本设计内容及要求使用PT100温度传感器（电阻值随温度变化），设计传感器放大电路，将传感器的电阻值转变为0~5V电压信号，将温度值显示出来。再设计控制电路，控制一个300W电热杯温度，使其能够稳定在设定的温度值。1.3电路特点设计以测量显示部分电路为主，以单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测。并采用热电阻PT100作为温度传感器、op07作为信号放大器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。2电路设计2.1总体设计思想2.1.1方案论证方案1：采用单片机测量并控制温度，测量电路采用电桥电路。此方案硬件电路简单，但是需设计复杂的软件电路。方案2：采用模拟电路测量并控制温度，测量电路采用电桥电路。此方案电路复杂，但是不需要软件电路的支持。采用方案1，此方案硬件电路简单，易于构成。虽然软件复杂，单片机程序易于获取，且可以用软件校正温度的测量，使测量结果更加精确。2.1.2原理框图-3-2.1.3硬件设计思想电路中单片机采用的是89C51，是我们书中常用的单片机型号。在温度信号的获取与放大电路中，以PT100为温度传感器获取温度信号，以放大器op07为信号放大器件。电热杯控制电路中，由于电热杯是使用220v的强电，故需要与单片机电路隔离，采用的是继电器控制电热杯。用7409驱动继电器，二极管作为继电器的保护电路。显示电路中由于需要显示带小数点的4位数字，采用的是4个Bcd7段带小数点的共阴数码管显示测量值，用8255扩展单片机的输出端口。键盘电路中采用的是三个独立式按键修改温度的恒定值,按键分别是加、减、功能键。按下功能键便可修改温度值，按功能键不同次数可以选择加减的幅值，再次按功能键确定。A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度。由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用8位串型A/D转换器ADC0809便能能达到设计的基本要求。为进一步提高精度，可以直接采用12位A/D转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率。因为8位ADC0809其性价比更高，更重要的是我在课本上学的就是ADC0809，对它更加熟悉，所以本次设计我选用了ADC0809作为模数转换器。2.2各主要电路及部件工作原理2.2.1单片机电路单片机采用89C51。AT89系列单片机对于一般用户来说，有下列明显的优点：①内部含有Flash存储器，在系统开发过程中很容易修改程序，可以大大缩短了系统的开发时间。②与MCS-51系列单片机引脚兼容，可以直接进行代换。③AT89系列并不对80C31的简单继承，功能进一步增强，在我国这种单片机受到广泛青睐。控制电路测量电路显示电路按键-4-2.2.1.1时钟显示单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。单片机的时钟产生方式有两种。①内部时钟方式。②外部时钟方式。2.2.1.2复位电路单片机的复位是靠外部电路实现的。单片机工作后，只要在它的RST引线上加载高电平，单片机就能够有效地复位。单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。2.2.2温度信号的获取与放大在本电路中，以PT100为温度传感器获取温度信号，以放大器op07为信号放大器件。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器OP07的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。2.2.2.1PT100温度传感器PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器，主要技术参数如下：-5-①测量范围：-200℃～+850℃；②允许偏差值℃：A级0.150.002t，B级0.300.005t；③响应时间＜30s；④最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；⑤允通电流≤5mA。另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。鉑热电阻的线性较好，在0～100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。鉑热电阻阻值与温度关系为：①-200℃＜t＜0℃时，231001*100RtRAtBtCtt；②0℃≤t≤850℃时，21001RtRAtBt；式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见PT100在常温0～100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：1001RtRAt，当温度变化1℃，PT100阻值近似变化0.39。2.2.2.2信号放大电路对信号放大，我使用了低价格、高精度的仪器放大器OP07，它运用方便，O是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，可以通过外接电阻方便的进行各种增益的调整。其增益计算公式为：(1)2.2.2.3温度值计算过程由于A/D检测到的模拟电压值(2)计算可到的值，然后利用如下公式求出温度值：(3)其中，。-6-2.2.3模数转换单元电路ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8位通用的A/D转换的芯片。①ADC0809的内部逻辑结构如图2-2所示。由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。-7-②引脚结构如图2-3所示。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量送入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表1如下：2.2.5显示电路在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图8为0.5英尺LED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应a～g笔段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、…、g、Dp按某一顺序接到MCS－51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、…、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。LED数码管编码方式有多种，按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按a、b、…、g、Dp编码顺序是高位在前，还是低位在前，又可分为顺序字段码和逆序字段码。甚至在某些特殊情况下将a、b、…、g、Dp顺序打乱编码。2.2.6电热杯控制电路电热杯控制电路采用的是继电器控制电热杯，用7409驱动继电器，二极管作为继电器的保护电路。其电路仿真图如下：-8-3.小结本方案设计完成温度测量及控制的任务。由总体电路可知此温度测量控制系统硬件电路由于单片机的使用简单明了，每一部分功能较为单一集中，便于设计及排查问题，但软件方面较为复杂。使用PT100作为温度传感器元件，可用连续采样取平均值的方法减少误差，使结果较为准确。4.改进意见本设计中使用单片机测量温度，通过继电器控制单片机的方案，需要准确的单片机程序，并且可以尝试设计智能系统，控制测量温度的数值或范围，功能将更加完善。参考文献[1]张国雄.测控电路（第三版）.机械工业出版社.2008.1[2]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.1993.8[3]何道清张禾谌海云.传感器与传感器技术（第二版）.科学出版社.2008.3[4]黄继昌，张海贵，郭继忠.实用单元电路及其应用[M].人民邮电出社，2002[5]沙占友，王彦朋，孟志永.单片机外围电路设计[M].电子工业出版社，2003[6]张福学.传感器应用及其电路精选[M]．北京：北京电子工业出版社，1991