熱電阻的單片機(jī)測溫系統(tǒng)

PAGEPAGE25摘要電子溫度計(jì)是日常生活中最普遍的電子產(chǎn)品之一，常用的轉(zhuǎn)換元件有熱電阻、熱敏電阻、熱電偶等，通常我們將這些轉(zhuǎn)換元件通過非電量轉(zhuǎn)化電量的檢測方法，結(jié)合電量和溫度之間的關(guān)系，我們可以計(jì)算出其溫度值。在本課題中將介紹一種利用電阻電橋失衡輸出的電壓轉(zhuǎn)換溫度的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，利用AT89S系列單片機(jī)作為控制器，計(jì)算鉑電阻（PT100）電量與溫度的轉(zhuǎn)換，并在LED顯示溫度。關(guān)鍵詞：AT89S52ADC0832AbstractElectronicthermometerisindailylifethemostcommononeofelectronicproducts,andthecommoninterfaceelementhaveheatresistance,thermalresistance,thermocouple,etc.,usuallywewilltheseinterfaceelementthroughthenon-electricityintoelectricitydetectionmethods,combinedwithpowerandtherelationshipbetweenthetemperature,wecancalculatethetemperaturevalue.Inthistopicwillintroduceakindofmakeuseoftheresistancebridgeunbalancedoutputvoltagetransitiontemperaturedesign.Inthedesign,theuseofAT89Sseriesmicrocontrollerasthecontroller,calculationofplatinumresistance(PT100)powerandtemperatureconversion,andintheLEDdisplaytemperature. Keyword：AT89S52ADC08321.引言 42.設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 43.單臂電橋測溫原理及鉑電阻 43.1直流電橋平衡原理 43.2鉑電阻的特性 53.3由鉑電阻構(gòu)成的單臂電橋 54方案設(shè)計(jì)和選擇 64.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 64.2方案設(shè)計(jì)與確定 65電路圖、元器件介紹以及參數(shù)計(jì)算 75.1測量電路 75.2信號調(diào)理電路 85.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 95.4單片機(jī)及外圍電路 115.5顯示電路 136軟件設(shè)計(jì) 146.1ADC的啟動(dòng)與輸入 146.2軟件修正誤差 157整體組裝及調(diào)試 157.1仿真 157.2硬件組合及相關(guān)數(shù) 167.3誤差分析 177.4調(diào)試 178總結(jié)體會(huì) 17附錄： 18參考資料： 18整體原理圖 18程序 211.引言當(dāng)今，鉑電阻廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電機(jī)、工業(yè)、溫度計(jì)算、衛(wèi)星、氣象、阻值計(jì)算等高精溫度設(shè)備，應(yīng)用范圍非常之廣泛。日常生活中，溫度已經(jīng)成為人們必須知曉的一個(gè)物理量。溫度的高低密切關(guān)系著生活中的每一個(gè)角落。溫度傳感器成為常用的傳感器之一，為知曉生活中溫度的高低提供了極大的便利。2.設(shè)計(jì)任務(wù)及要求基于熱電阻的溫度測量儀器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：理解電阻測溫的原理；理解數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理以及與MCU的接口方法；理解顯示器與MCU的接口方法；編程實(shí)現(xiàn)溫度的測量及顯示;5.溫度的確定方法建議不采用查表法，采用傳感器的關(guān)系表達(dá)式；6測量溫度范圍：0～200℃。3.單臂電橋測溫原理及鉑電阻3.1直流電橋平衡原理近年來，低漂移集成運(yùn)算放大器的發(fā)展，直流電橋得到了廣泛的應(yīng)用。如圖3-1所示，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4電阻。初始狀態(tài)，則電橋輸出的電壓或電流為零。此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。因此為電橋的條件。當(dāng)其中任意一個(gè)電阻的阻值改變時(shí)，變化，其輸出電壓為圖3.1平衡電橋3.2鉑電阻的特性本次設(shè)計(jì)使用Pt100電阻，所以這里將只介紹Pt100電阻的特性。pt100是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100由于我們本次設(shè)計(jì)涉及到的溫度范圍：0～200℃。故阻值和溫度之間的關(guān)系可以用下式近似表示等式中，、分別為0℃和t℃的電阻值。，Pt100在正常工作下其電流最大3.3由鉑電阻構(gòu)成的單臂電橋如圖3-1所示，當(dāng)為鉑電阻時(shí)（鉑電阻的介紹將在第四節(jié)中介紹）。由于外界溫度的影響下，鉑電阻的阻值改變，導(dǎo)致平衡電橋失衡，從而輸出。因此，我們利用鉑電阻的電阻隨溫度變化而產(chǎn)生電橋輸出電壓，并利用鉑電阻的特性，從而實(shí)現(xiàn)由非電量轉(zhuǎn)換成電量的測量。4方案設(shè)計(jì)和選擇4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖4.14.2方案設(shè)計(jì)與確定方案一：使用運(yùn)算放大器做求差，直接求出并放大輸出電壓，后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。方案二：亦使用運(yùn)算放大器，與方案一不同的是，方案一使用單路電壓輸入進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，而方案二則采用電橋兩路的電壓，經(jīng)過調(diào)理電路，輸入A/D轉(zhuǎn)換器，由單片機(jī)進(jìn)行求差處理。方案分析，兩者的原理都是利用電橋失衡后的輸出電壓進(jìn)行求差運(yùn)算，以此獲得鉑電阻阻值和變化電壓之間的關(guān)系。不同的是，方案一采用的是硬件求差，而方案二采用的是軟件求差。相對后者來說，前者經(jīng)過求差電路，單一的輸出電壓值，直接由單片機(jī)進(jìn)行溫度變化較后者使用軟件求差的精度更高。由于兩路電壓都在時(shí)刻小幅變化，對于軟件求差而言，微小的變化，導(dǎo)致求得的小數(shù)點(diǎn)后值不同，從而影響整個(gè)溫度檢測精度。本次設(shè)計(jì)，由于希望通過編程上對誤差的修正來保證溫度準(zhǔn)確度，故采取了方案二。5電路圖、元器件介紹以及參數(shù)計(jì)算5.1測量電路5.1.1原理圖圖5.1.1如圖5.1.1所示，使用=5V的直流電輸入，當(dāng)（鉑電阻）的溫度變化時(shí)阻值隨之改變，的電勢產(chǎn)生變化，而的電勢則不變。5.1.2元件選擇只考慮電阻的初始平衡，和Pt100的最大電流。故選取2個(gè)1K電阻和1個(gè)500Ω電位器。故最大電流滿足Pt電阻的要求。5.2信號調(diào)理電路5.2.1原理圖圖5.2.1由于兩路的信號調(diào)理電路及選取電阻是相同，所以只給出一路的信號調(diào)理電路。第一級運(yùn)放為一個(gè)電壓跟隨器為了降低輸出阻抗，增加電壓穩(wěn)定性。第二級運(yùn)放為一個(gè)正向電壓放大器，由于輸出電壓較小，為了使A/D轉(zhuǎn)換器正常工作，故需要放大后進(jìn)A/D5.2.2高精度運(yùn)算放大器OP07介紹Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特 圖5.2.2 點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。5.2.3元件選擇及參數(shù)設(shè)置通過運(yùn)算，可知電橋的輸出電壓和僅為0.45V（理想狀態(tài)電橋平衡下）。由于熱電阻1℃的變化導(dǎo)致1Ω一下的電阻變化，如此電壓的變化量也不會(huì)太大，這樣會(huì)增加我們對測量的難度和不準(zhǔn)確度。為此，為了解決微小信號變化的輸出，采取了使用OP07運(yùn)放的正向放大電路，放大電壓，增益如下由于設(shè)計(jì)選擇的ADC0832最大輸入電壓為5V，故在第二級運(yùn)放后的輸出電壓必須小于5V。選擇=12K，=24K，故可得=3，最大輸出電壓。5.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5.3.1原理圖圖.2ADC0832選用及由于ADC0832的連接和使用的簡易，故為了降低電路的復(fù)雜度，采用了ADC0832作為本次設(shè)計(jì)模數(shù)部分。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8

位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 芯片接口說明：CS_

片選使能，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND芯片參考0電位（地）。DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。圖5.3.2ADC0832封裝CLK芯片時(shí)鐘輸入。Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。5.4單片機(jī)及外圍電路5.4.1原理圖圖5.4.1單片機(jī)及外圍電路5.4.2A現(xiàn)在市面上的單片機(jī)種類繁多，由于本次電路不需要負(fù)責(zé)的運(yùn)算能力與速度，故選用最普遍的AT系列單片機(jī)。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS

8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytes

ISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)圖5.4.2集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。5.4.3AVCC：電源電壓輸入端。GND：電源地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，使用P0外部必須被拉高。P1-P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口。RST：復(fù)位輸入端ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號端PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號，低電平有效。EA/VPP：外部程序存儲(chǔ)器訪問允許。XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。 圖顯示電路5.5.1原理圖圖5.5.1顯示電路原理圖顯示電路由四位共陰數(shù)碼管和1片74HC573鎖存器組成，并由P3口進(jìn)行位選，P1口進(jìn)行段碼輸出。74HC573芯片的作用是增大數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電流。6軟件設(shè)計(jì)圖6.1.1總流程圖 6.1ADC的啟動(dòng)與輸入本次設(shè)計(jì)使用的是ADC0832的兩個(gè)輸入通道，所以需要在接收輸入前，首先選擇通道。如圖5.3.1所示，ADC0832的DI口和DO口連在一起并一起連入單片的P2.0口，這是因?yàn)橥ㄐ艜r(shí)，DI和DO并不是同時(shí)有效的，而單片機(jī)接口則是雙向的。表中可得知，當(dāng)對DI端口輸入第一個(gè)1時(shí)表示將通道屬性選擇為單極性；當(dāng)輸入第二個(gè)值是，0表示0通道，1表示1通道。表1在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，首先需要將片選設(shè)為低電平，此時(shí)開始ADC0832工作；第二步選擇通道，再輸入選通道輸入碼之前需要輸入1位‘1‘作為起始位，隨后輸入相應(yīng)選通碼。值得注意的是選擇0通道后，需將DO口置1，否則輸出口呈高阻態(tài)將無法正確輸出信號。輸入信號時(shí)，ADC0832采取的是一位位輸出方式，故單片機(jī)需要一位位的接收。6.2軟件修正誤差由于輸入ADC的電壓時(shí)刻在變化，故每一時(shí)刻的電壓差值都不相同，由于軟件求差的緣故，可能會(huì)導(dǎo)致較大變化的跳動(dòng)。為此通過軟件的計(jì)算來盡可能彌補(bǔ)兩路求差帶來的誤差。設(shè)計(jì)中將采用一個(gè)定時(shí)器，在一段時(shí)間內(nèi)的反復(fù)采集，求其平均值，來盡量減小系統(tǒng)誤差。7整體組裝及調(diào)試7.1仿真為確保做出來的設(shè)計(jì)沒有大的問題，設(shè)計(jì)之前先進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，仿真軟件使用的是proteus。由于該軟件沒有誤差的影響，所以仿真階段只是確保了大體上的正確。 圖硬件組合及相關(guān)數(shù)本次設(shè)計(jì)使用兩個(gè)模塊，將顯示電路單獨(dú)置于另一塊版。目的是便于調(diào)試和檢查。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道0輸入電壓和溫度的關(guān)系工業(yè)溫度計(jì)測定的室溫T/℃ADC0832CH0輸入電壓U/V22.281.4979V32.011.5477V32.801.5490V由上述數(shù)據(jù)，可以得到以下關(guān)系可以看到T和U成近似的線性關(guān)系，由此可以推論出測量電路無問題。7.3誤差分析誤差主要來源：電阻、運(yùn)放相關(guān)參數(shù)與理論值有差別由于熱電阻溫度不為0，故熱電阻阻值不可能為100度，電橋不能平衡。轉(zhuǎn)換輸入電壓變化跳動(dòng)微小，可能造成較大的誤差。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)候，取的有效位數(shù)不同造成計(jì)算后的溫度不準(zhǔn)確7.4調(diào)試硬件調(diào)試的主要方法，檢測數(shù)碼管是否選通并點(diǎn)亮。檢測各級運(yùn)放的輸入輸出電壓，并與理論值作比較。軟件調(diào)試的方法，選通數(shù)碼管并點(diǎn)亮，觀察顯示與程序結(jié)果是否一致。8總結(jié)體會(huì)本次設(shè)計(jì)之初，選用的運(yùn)放求差電路，通過硬件求差后進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并通過單片機(jī)進(jìn)行溫度的計(jì)算。在后續(xù)的思路中，考慮到ADC0832可以有兩路輸出，因此想到了通過用編程獲取電橋失衡輸出電壓，并通過軟件進(jìn)行誤差修正。前期準(zhǔn)備中，在有基本思想和大體框架下，自主查詢了各種數(shù)據(jù)手冊，了解了其主要的參數(shù)與性能，并考慮實(shí)際電路選擇器件。通過Proteus軟件仿真后，也出現(xiàn)了很多的計(jì)劃之外的問題，例如經(jīng)過運(yùn)放后的電壓過大大于5V，如此一來就在ADC0832最大輸入電壓之外了。為此解決方案是減小放大倍數(shù)或在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前加入一個(gè)5V的穩(wěn)壓管。仿真軟件只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能性的仿真，而在設(shè)計(jì)時(shí)候需要考慮周到。例如電壓跟隨器，減小了電橋電壓的輸出阻抗，穩(wěn)定了進(jìn)入放大電路的電壓值。制作出PCB板之后，由于位選通未加大驅(qū)動(dòng)電流，故顯示失敗。重新制作的顯示電路中，加上了一片74HC573芯片，增大了IO口的輸出驅(qū)動(dòng)電流，以此點(diǎn)亮數(shù)碼管。實(shí)體電路完成之后就進(jìn)行電橋調(diào)零，將一片100Ω的電阻替代熱電阻的位置，測試兩路輸出電壓是否為零，并通過電位器調(diào)零。在測試后，保證硬件電路無錯(cuò)的前提下，進(jìn)行軟件的編寫。起初編寫的軟件，顯示電路部分1秒內(nèi)閃爍次數(shù)過多，并且其他位有節(jié)奏閃爍。前者的原因是采集頻率過快，為此啟動(dòng)了一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)溢出后中斷內(nèi)執(zhí)行采集和求差程序部分；后者的原因是選通后的延時(shí)時(shí)間過長，故降低延時(shí)時(shí)間即可。該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于軟件求差和誤差修正上。對于誤差修正，采用的方法是多次測量，按大小排序后剔除兩邊數(shù)據(jù)，求得的均值為其輸入電壓。但由于時(shí)間關(guān)系未能成功實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)碼管的溫度顯示幅度跳動(dòng)厲害，誤差較大。本次課程設(shè)計(jì)獨(dú)立的完成對于整體電路設(shè)計(jì)的流程有一個(gè)熟悉的了解，對于以后的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)電路需知曉其理，考慮實(shí)際情況進(jìn)行分析。感謝王老師在本次設(shè)計(jì)中提供的建議和意見。附錄：參考資料：賈伯年：《傳感器技術(shù)》東南大學(xué)出版社康華光：《電子技術(shù)基礎(chǔ)》高等教育出版社。王選民：《智能儀器原理及設(shè)計(jì)》清華大學(xué)出版社整體原理圖 圖電路1元器件清單：表1PCB板圖： 圖pcb-1 圖pcb-2程序#include<reg52.h>#include<math.h>#defineoutputP1sbitAD_DIDO=P2^0;sbitAD_CS=P2^1;sbitAD_CLK=P2^2;sbitled_1=P3^0;sbitled_2=P3^1;sbitled_3=P3^2;sbitled_4=P3^3;unsignedcharcodeDuanMa[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//顯示段碼值0~9unsignedcharres_R[6];voidstartAD(intchannel);unsignedcharADresult(intchannel);voidResPr(doubleresult);signedcharnum;unsignedcharcompare(unsignedchar*a);unsignedcharge,shi,bai,xiaoshu;unsignedcharres0,res1,diff;voiddisplay();voidDelay(unsignedintr);voidcal(unsignedchardif);voidInit_Timer0();//voidTimer0_isr()interrupt1;voidmain(){ Init_Timer0(); while(1) { display(); } }voidstartAD(intchannel){if(channel==1){ AD_CS=0; //Delay(1); AD_DIDO=1; // Delay(1); AD_CLK=0;// Delay(1); //第1個(gè)上降沿 AD_CLK=1;// Delay(1); AD_DIDO=1; //選擇通道1轉(zhuǎn)換 AD_CLK=0;// Delay(1); //第2個(gè)上降沿 AD_CLK=1;// Delay(1); AD_DIDO=1; AD_CLK=0;// Delay(1); //第3個(gè)上降沿 AD_CLK=1;// Delay(1); AD_CLK=0;// Delay(1); //第3個(gè)下降沿}else{ AD_CS=0;// Delay(1); AD_DIDO=1; AD_CLK=0;// Delay(1); //第1個(gè)上降沿 AD_CLK=1;// Delay(1); AD_DIDO=1; //選擇通道1轉(zhuǎn)換 AD_CLK=0;// Delay(1); //第2個(gè)上降沿 AD_CLK=1;// Delay(1); AD_DIDO=0; AD_CLK=0;// Delay(1); //第3個(gè)上降沿 AD_CLK=1;// Delay(1); AD_DIDO=1; AD_CLK=0;// Delay(1); //第3個(gè)下降沿}}unsignedcharADresult(intchannel){ unsignedchari; unsignedcharval; startAD(channel); for(i=0;i<8;i++) { val=val<<1; AD_CLK=1; AD_CLK=0; if(AD_DIDO) { val=val|0x01; } } AD_CS=1; returnval;}voidcal(unsignedchardif){ doubleaa,bb,rt,wendu,xiao1,xiao2,rr1,gen; floatz; z=(float)dif/51; aa=3.96847e-3; bb=-5.847e-7; xiao1=0.090909; xiao2=0.909091; rt=(1000*(xiao1+z/15))/(xiao2-z/15); rr1=1-0.01*rt; gen=sqrt(aa*aa-4*bb*rr1); wendu=(-aa+gen)/(2*bb); ResPr(wendu);}voidResPr(doubleresult){ intnum=result*10; bai=num/1000; shi=(num%1000)/100; ge=(int)((num%1000)%100)/10; xiaoshu=(int)((num%1000)%100)%10;}void