基于PT100溫度傳感器課設(shè)

福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)課程名稱：傳感器與檢測(cè)技術(shù)課設(shè)題目：溫度測(cè)量控制系統(tǒng)專業(yè)班次：10〔三〕檢測(cè)1班姓名：陳0坤學(xué)號(hào)：202302063101指導(dǎo)教師： 蘇0河學(xué)期：2023-2023學(xué)年第一學(xué)期日期：摘要本文首先簡要介紹了鉑電阻PT100的特性以及測(cè)溫的方法，在此根底上闡述了基于PT100的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，是以鉑電阻PT100作為溫度傳感器，采用恒流測(cè)溫的方法，通過單片機(jī)進(jìn)行控制，用放大器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號(hào)的采集。另外，還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路模塊，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。本設(shè)計(jì)采用了兩線制鉑電阻溫度測(cè)量電路，通過對(duì)電路的設(shè)計(jì)，減小了測(cè)量電路及PT100自身的誤差，使溫控精度在0℃～100℃范圍內(nèi)到達(dá)±℃。本文采用AT89S51單片機(jī)，TLC2543A/D轉(zhuǎn)換器，DS1302時(shí)鐘芯片，AD620放大器，鉑電阻PT100及6位數(shù)碼管組成系統(tǒng)，編寫了相應(yīng)的軟件程序,使其實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)點(diǎn)是：使用簡便；測(cè)量精確、穩(wěn)定、可靠；測(cè)量范圍大；使用對(duì)象廣。關(guān)鍵詞：PT100單片機(jī)溫度測(cè)量DS1302目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要I目錄II第一章方案設(shè)計(jì)與論證…………………………2第一節(jié)傳感器的選擇2第二節(jié)方案論證3第三節(jié)系統(tǒng)的工作原理3第四節(jié)系統(tǒng)框圖3第二章硬件設(shè)計(jì)4第一節(jié)PT100傳感器特性和測(cè)溫原理4第二節(jié)信號(hào)調(diào)理電路5第三節(jié)恒流源電路5第四節(jié)放大電路的設(shè)計(jì)6第五節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路8第六節(jié)DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)10第七節(jié)單片機(jī)控制電路12第八節(jié)按鍵和顯示電路12第三章軟件設(shè)計(jì)13第一節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明13第二節(jié)軟件的有關(guān)算法14第三節(jié)軟件的流程圖14總結(jié)18參考文獻(xiàn)19附錄20前言隨著科技的開展和“信息時(shí)代〞的到來，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)其要求越來越高，需求越來越迫切。因此，了解并掌握各類傳感器的根本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信與信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其開展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原那么而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度測(cè)量系統(tǒng)。文中將傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱電阻作為溫度傳感器來測(cè)量實(shí)時(shí)的溫度，以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過程。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比擬強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。本課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)并顯示溫度和實(shí)時(shí)的時(shí)間。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號(hào)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊，時(shí)鐘模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度、時(shí)間顯示模塊六個(gè)局部。文中對(duì)每個(gè)局部功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度測(cè)量與顯示，完成了課題所有要求。第一章方案設(shè)計(jì)與論證第一節(jié)傳感器的選擇溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開一定的距離，檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，到達(dá)測(cè)溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運(yùn)用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比擬特殊的場(chǎng)合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡單，如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MAXIM公司的2種溫度傳感器一個(gè)為頻率輸出，一個(gè)為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口那么為近年也比擬流行的I2C總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便，但這類器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的范圍太窄，一般只有-55～+125℃℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的場(chǎng)合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫范圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的上下，這種測(cè)溫方法可防止與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反響速度快，既可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度，又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相對(duì)較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問題，而且其輸出受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的范圍為0℃～100℃℃，綜合價(jià)格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對(duì)較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號(hào)為WZP型鉑電阻，該傳感器的測(cè)溫范圍從－200℃～＋650℃。具體在0℃～100℃的分度特性表見附錄A所示。第二節(jié)方案論證溫度測(cè)量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。

方案一：采用模擬分立元件

如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡單易懂，操作簡單，且價(jià)格廉價(jià)，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。

方案二：采用溫度傳感器

通過溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過LED顯示溫度。

熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量范圍為-200℃～650℃，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測(cè)量精確度是最高的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。該方案采用熱電阻PT100做為溫度傳感器、AD620作為信號(hào)放大器，TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換部件，對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。相對(duì)與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。在這里我選用方案二完本錢次設(shè)計(jì)。第三節(jié)系統(tǒng)的工作原理測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過放大器放大信號(hào)后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī)AT89S51，單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。另外，外接一個(gè)時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制，并將時(shí)間顯示出來，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。第四節(jié)系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元，時(shí)間信號(hào)采集單元，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，時(shí)間、溫度顯示單元。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元局部包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路〔采樣〕、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。信號(hào)放大調(diào)理電路信號(hào)放大調(diào)理電路PT100溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘電路按鍵控制電路AT89S51單片機(jī)LED數(shù)碼管顯示電路圖1-1系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖第二章硬件設(shè)計(jì)第一節(jié)PT100傳感器特性和測(cè)溫原理電阻式溫度傳感器(RTD,ResistanceTemperatureDetector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0～650℃范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2)在-200～0℃范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C為常數(shù)，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT)其中α=0.00392,Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。PT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200℃～+650主要技術(shù)指標(biāo)：1.測(cè)溫范圍：-200～650攝氏度；2.；3.Pt100是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用Pt100測(cè)量溫度一般有兩種方案：方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過Pt100熱電阻，通過檢測(cè)Pt100上電壓的變化來換算出溫度。方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上根本一致。第二節(jié)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)變換成前向通道中A/D轉(zhuǎn)換器能識(shí)別的信號(hào)，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻PT100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。第三節(jié)恒流源電路從上述關(guān)于PT100傳感器測(cè)溫原理可知，由PT100構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有2種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，考慮本錢的問題，一般采用單臂橋；還有一種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化圖表SEQ圖表\*ARABIC1圖表SEQ圖表\*ARABIC2A圖單臂橋式B圖恒流源式圖2-1兩種信號(hào)獲取的結(jié)構(gòu)電路根據(jù)測(cè)試技術(shù)的有關(guān)知識(shí)，圖2-1中的a圖的輸出與電阻的阻值不是個(gè)正比的關(guān)系，因而數(shù)據(jù)處理起來特別麻煩，尤其是用單片機(jī)來處理這些非線性的問題；而圖B的由于恒流源的作用，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關(guān)系，因此，本系統(tǒng)采用恒流源電路來獲取溫度信號(hào)。恒流源電路的設(shè)計(jì)，有用三極管構(gòu)成的，有用專門的恒流管，也有用價(jià)格低廉的器件通過比擬巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)成的，本系統(tǒng)是采用價(jià)格低廉的運(yùn)放為核心來構(gòu)成的，恒流效果十分理想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源電路見下列圖2-2所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC3圖2-2由運(yùn)放構(gòu)成的恒流源電路固定而且一定等于OP-07輸出端流入溫度傳感器PT100的電流，從而到達(dá)恒流的效果，連接PT100兩端的壓差正好反映溫度變化的信號(hào)送入后級(jí)的放大器。這里值得注意的是恒流效果的好壞與下面幾個(gè)因素有關(guān)，圖示1.5K電阻的精度及溫度穩(wěn)定性要好，我們采用的是高精度高穩(wěn)定的電阻；還有是一定要選擇輸入阻抗高的運(yùn)放，包括產(chǎn)生虛地處的運(yùn)放〔圖中OP-07〕和后級(jí)的放大器〔圖中的AD620〕，否那么較大的輸入電流也將直接影響恒流的效果；最后一點(diǎn)是參考電壓〔圖中是－2.5V〕的穩(wěn)定性要高，這里的參考電壓采用是LM336-2.5V作為參考電壓基準(zhǔn)。第四節(jié)放大電路的設(shè)計(jì)放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度也十分關(guān)鍵，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，如下列圖2-3所示，三運(yùn)放中由A1、A2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大器，后級(jí)為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件R1與R2、R3與R4、R5與R6，還包括A1與A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)高。隨著微電子技術(shù)的開展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來解決剛剛的參數(shù)匹配問題已不是什么復(fù)雜的問題。圖表SEQ圖表\*ARABIC4圖2-3三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖隨著近年來微電子技術(shù)的開展，市面上出現(xiàn)了不少專用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了AD620作為放大器電路的首級(jí)放大。AD620是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置1～1000倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)〔如ECG檢測(cè)和血壓監(jiān)視〕、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由OP-07組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，性能大大優(yōu)于自制的三運(yùn)放IC電路設(shè)計(jì)，其根本接法是在1腳與8腳之間外接一RG電阻，增益由式G=1+49.4KΩ/RG確定，由于它的外圍電路十分簡單，所以它在本系統(tǒng)中的應(yīng)用見下列圖2-4所示。由于我們的溫度測(cè)量范圍是0～100℃℃，因此，我們必須將100歐姆以下的值通過偏置的方法將其減掉，然后通過增加放大倍數(shù)來盡量提高分辨率，這里我們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見下列圖2-4所示。這里設(shè)計(jì)的首級(jí)放大器的倍數(shù)是20倍，而后級(jí)放大那么為4倍，合計(jì)的放大倍數(shù)為80倍，這樣就完全滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。圖表SEQ圖表\*ARABIC5圖2-4放大電路第五節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路在我們所測(cè)控的信號(hào)中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，那么需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字量。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，常用的A/D轉(zhuǎn)換器可分為兩種，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。1.雙積分A/D轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分A/D轉(zhuǎn)換器采用間接測(cè)量的方法，它將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù)T，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)，積分器，比擬器，計(jì)數(shù)器和控制邏輯等局部組成。所謂雙積分就是進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換需要兩次積分。電路先對(duì)被測(cè)的輸入電壓Vx進(jìn)行固定時(shí)間(T0)的正向積分，然后控制邏輯將積分器的輸入端通過電子開關(guān)接參考電壓Vr，由于參考電壓與輸入電壓反向且參考電壓值是恒定的，所以反向積分的斜率是固定的，從反向積分開始到結(jié)束，對(duì)參考電壓進(jìn)行反向積分的時(shí)間T,正比于輸入電壓。輸入電壓越大反向積分時(shí)間越長，用高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)測(cè)此時(shí)間，即可得到相應(yīng)于輸入電壓的數(shù)字量。特點(diǎn)：可以有效的消除干擾和電源噪聲，轉(zhuǎn)換精度高，但是轉(zhuǎn)換速度慢。2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，比擬環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾局部組成。其轉(zhuǎn)換原理為：A/D轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓Ui與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓Ui〔預(yù)定的電壓由逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中的D/A輸出獲得〕電壓相比擬，根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓Ui是大于還是小于待轉(zhuǎn)換成的模擬輸入電壓Uin來決定當(dāng)前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是“0〞還是“1〞，據(jù)此逐位比擬，以便使轉(zhuǎn)換結(jié)果〔相應(yīng)的數(shù)字量〕逐漸與模擬輸入電壓相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量接近。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的12位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最正確選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡單，三個(gè)控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O

CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA

INPUT)。片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣－保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高。3、TLC2543的主要特性(1)11個(gè)模擬輸入通道；

(2)66ksps的采樣速率；

(3)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs；(4)SPI串行接口；

(5)線性度誤差最大為±1LSB；

(6)低供電電流(1mA典型值)；

(7)掉電模式電流為4μA。

TLC2543的引腳排列如圖2-5所示。圖2-5TLC2543的引腳AIN0～AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。對(duì)4.1MHz的I/O

CLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50Ω。CS：片選端，CS由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATA

OUT、DATA

INPUT和I/O

CLOCK。CS由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止DATA

INPUT和I/O

CLOCK。DATA

INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/O

CLOCK的前4個(gè)上升沿移入4位地址，用來選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓，之后I/O

CLOCK將余下的幾位依次輸入。DATA

OUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在CS為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/O

CLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。VCC、GND：電源正端、地。REF＋、REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常REF＋接VCC，REF－接GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。I/O

CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時(shí)序。根據(jù)TLC2543時(shí)序圖可以看出，在TLC2543的CS變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/O

CLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)存放器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATA

OUT端，在I/O

CLOCK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時(shí)，

I/O

CLOCK和DATA

INPUT被禁止，DATA

OUT為高阻態(tài)。TLC2543與單片機(jī)的連接如圖2-6所示。A0A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A1012R-13R+14/CS15DO16DI17CLOK18EOC19VCC20TLC2543VCC5VCLOKD1D0/CSA0圖2-6TLC2543電路第六節(jié)DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM存放器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。本設(shè)計(jì)中采用DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，通過單片機(jī)進(jìn)行處理控制，并顯示出實(shí)時(shí)的時(shí)間，可以用于對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。1.引腳功能及結(jié)構(gòu)DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋0.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，那么會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細(xì)說明。SCLK始終是輸入端。2.DS1302的控制字節(jié)DS1302的控制字如圖2.8所示?？刂谱止?jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，那么不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為邏輯0，那么表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址輸入或輸出。最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。3.數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。4.DS1302的存放器所示。1RAM /CKA4A3A2A1A0RD/WR圖此外，DS1302還有年份存放器、控制存放器、充電存放器、時(shí)鐘突發(fā)存放器及與RAM相關(guān)的存放器等。時(shí)鐘突發(fā)存放器可一次性順序讀寫除充電存放器外的所有存放器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的存放器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元，共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM存放器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH〔寫〕和FFH〔讀〕。5.DS1302與單片機(jī)的連接DS1302與CPU的連接需要三條線，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。這三條線分別接到CPU的I/O線上。第七節(jié)單片機(jī)控制電路本設(shè)計(jì)是采用AT89S51單片機(jī)作為主控電路，其中P1口為A/D轉(zhuǎn)換器和DS1302時(shí)鐘芯片的通信端口，P3.0,P3.1,P3.2為按鍵控制，P0口接數(shù)碼管的段碼，P2口接數(shù)碼管的片選端，用于對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行片選。如圖2-9所示。圖2-9單片機(jī)控制電路第八節(jié)按鍵和顯示電路1.按鍵電路本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)3個(gè)按鍵，用來設(shè)置和修改時(shí)間。設(shè)置鍵，接單片機(jī)的P3.2腳用于申請(qǐng)中斷，以執(zhí)行鍵盤中斷修改設(shè)置時(shí)間；加鍵，用于修改時(shí)間使時(shí)間按增形式調(diào)整；減鍵，用于修改時(shí)間使時(shí)間按減形式調(diào)整。其電路圖如下列圖2-10所示。圖表SEQ圖表\*ARABIC7圖2-10按鍵電路2.顯示電路本設(shè)計(jì)采用6個(gè)LED共陽極數(shù)碼通過三極管驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行時(shí)間溫度數(shù)據(jù)的顯示。其中數(shù)碼管的段碼位分別接單片機(jī)的P0口，公共端通過三極管接到單片機(jī)P2.0～P2.5端對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行位選。其電路圖如下列圖2-11所示。圖2-11數(shù)碼管顯示電路第三章軟件設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明進(jìn)行微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)測(cè)量對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)更為重要。在單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)根本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便到達(dá)測(cè)量控制目的。軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集、顯示,通過按鍵操作，進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置與修改。因此，整個(gè)軟件可分為溫度采集子程序、時(shí)鐘讀取程序、按鍵子程序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。第二節(jié)軟件的有關(guān)算法1、最小二乘理論獲取溫度―電阻公式根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測(cè)量值，方法一般有2個(gè)，要么采用查表法，要么建立高精度的數(shù)學(xué)模型。如果用查表法，主要有2個(gè)問題，如果要提高測(cè)量精度，那么需要建立大量的表格，而且得提前做大量得試驗(yàn)來進(jìn)行多點(diǎn)校正，還有一個(gè)問題是程序的通用性差，這臺(tái)儀器上校正好得數(shù)據(jù)可能在另一臺(tái)上不適宜。而采用的分度表，建立數(shù)學(xué)模型，然后通過工程量〔標(biāo)度〕變換，通過測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果后計(jì)算得到。這里我們考慮第2種方法的優(yōu)點(diǎn)，首先采用分段的方法，將測(cè)量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的各個(gè)系數(shù)，然后計(jì)算出溫度值，這里，由于時(shí)間的關(guān)系，我們對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍分了3段，分別為0－49℃、50－70℃、71－100℃，利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時(shí)，可通過再將標(biāo)度值代入可粗略估計(jì)在各個(gè)測(cè)量段內(nèi)的最大誤差值。我們通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到如下的數(shù)學(xué)模型為：T1=2.5772R-257.77080-49T2=2.6366R-267.0150－70T3=2.7206R-281.9071－100℃，能夠滿足精度要求，實(shí)際上如果有足夠的時(shí)間，我們完全可以分得再細(xì)一些，這樣理論的誤差將會(huì)變得更小。2.標(biāo)度變換公式的獲取根據(jù)上述的線性擬合結(jié)果：T=A·R-B，這里的A、B是上述不同溫度段的系數(shù)，而R值由于在輸出為0V時(shí)，實(shí)際上有個(gè)對(duì)應(yīng)于100歐姆的偏置電路，因此根據(jù)R-R0=U/I，而I=2.500V/1.500K，而AD/U/G=4096/4.900V，這里的AD值為A/D轉(zhuǎn)換得結(jié)果G為放大器的增益，本設(shè)計(jì)中的二級(jí)放大器放大的倍數(shù)為80倍。將上述條件代入得：T=A·(4.9·AD/4096/G/I+100)-B第三節(jié)軟件的流程圖開始開始系統(tǒng)初始化DS1302時(shí)鐘信號(hào)采集PT100溫度數(shù)據(jù)采集處理讀到的數(shù)據(jù)結(jié)束圖3-1系統(tǒng)總流程圖KKey1=0?NYYNNY開始初始化按鍵掃描調(diào)用加鍵調(diào)時(shí)調(diào)用顯示程序調(diào)用減鍵調(diào)時(shí)調(diào)用顯示程序返回主程序Key2=0?Key3=0?圖3-2按鍵流程圖開始初始化函數(shù)開始初始化函數(shù)DS1302數(shù)據(jù)的寫入DS1302數(shù)據(jù)的讀取返回開始初始化函數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回圖3-3DS1302時(shí)鐘流程圖圖3-4溫度轉(zhuǎn)換流程圖開始系統(tǒng)初始化開始系統(tǒng)初始化調(diào)用時(shí)間、溫度子程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用掃描按鍵程序開始將時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)寫入到數(shù)碼管讀取時(shí)間、溫度值顯示時(shí)間、溫度值返回圖3-5顯示流程圖圖3-6主函數(shù)流程圖總結(jié)本溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)行控制溫度顯示和時(shí)間顯