智能溫度測(cè)量?jī)x課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　智</b></p><p><b>　　能</b></p><p><b>　　溫</b></p><p><b>　　度</b></p><p><b>　　測(cè)</b></p><p

2、><b>　　量</b></p><p><b>　　儀</b></p><p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p>&

3、lt;b>　　計(jì)</b></p><p><b>　　報(bào)</b></p><p><b>　　告</b></p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　姓 名：

4、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　----智能溫度測(cè)量?jī)x</p><p>　　摘要：本文主要介紹了智能溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。先對(duì)該測(cè)量?jī)x進(jìn)行概括性介紹，然后介紹該測(cè)量?jī)x在硬件設(shè)計(jì)上的主要器件：“Pt100熱

5、電阻”、AT89C51單片機(jī)和LCD顯示器以及描述測(cè)量?jī)x的總體結(jié)構(gòu)原理。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?？傮w來說，該設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度；Pt100熱電阻；AT89C51單片機(jī)；LCD顯示器。</p><p>　　引言：溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、化工

6、、石油等領(lǐng)域最常遇到的一個(gè)物理量，也是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一。對(duì)溫度的測(cè)量與控制在現(xiàn)代工業(yè)中也是運(yùn)用的越來越廣泛。而傳感器主要用于測(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

7、、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)。</p><p>　　溫度傳感器是其中重要的一類傳器。其發(fā)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、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。</p&

8、gt;<p>　　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。</p><p>　　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，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度顯示五個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、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

9、了課題所有要求。</p><p>　　Pt100溫度傳感器</p><p>　　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，達(dá)到測(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較特殊的場(chǎng)合才使用，目前得到廣泛使用的

10、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。</p><p>　　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(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)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

11、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(jiǎn)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)字接口則為近年也比較流行的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

12、點(diǎn)是測(cè)溫的范圍太窄，一般只有-55～+125℃，而且溫度的測(cè)量精度都不高，好的才±0.5℃,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。</p><p>　　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(jiǎn)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

13、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。</p><p>　　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高低，這種測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反應(yīng)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

14、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。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的要求是采用“Pt100”熱電阻，測(cè)溫范圍是-200~+600℃，精度0.5%，具體的型號(hào)選為WZP型鉑電阻。</p><p>　　AT89C51單片機(jī)</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programm

15、able and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，A

16、T89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p><b>　　LCD顯示器</b></p><p>　　液晶顯示器是一種采用了液晶控制透光度技術(shù)來實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的

17、問題。對(duì)于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術(shù)原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)介紹</b></p><p>　　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

18、給單片機(jī)AT89C51，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LCD顯示器進(jìn)行顯示。</p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，溫度顯示單元。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路（采樣）、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。</p><p>　　系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。</p>

19、<p>　　1-1 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　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。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差，但通過調(diào)節(jié)和精確

20、計(jì)算可以減小誤差。</p><p>　　通過本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度測(cè)量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)單片機(jī)能識(shí)別的電量信號(hào)，其中的信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。</p><p><b>　　硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　PT100

21、傳感器特性和測(cè)溫原理</p><p>　　電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)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。</p><p>　　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：</p><p>　　在

22、0～600℃范圍內(nèi)：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2)</p><p>　　在-200～0℃范圍內(nèi)：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)</p><p>　　式中A、B、C 為常數(shù)，</p><p>　　A=3.96847×10-3；</p

23、><p>　　B=-5.847×10-7；</p><p>　　C=-4.22×10-12；</p><p>　　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) </p><p>　　其中α=0.00392, Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度，因

24、此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。</p><p>　　PT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200℃～+600℃，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。</p><p>　　主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測(cè)溫范圍：-200～600攝氏度；2. 測(cè)溫精度：0.5攝氏度；3. 穩(wěn)定性：0.5攝氏度<

25、/p><p>　　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法：</p><p>　　1、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?yè)Q算出溫度；</p><p>　　測(cè)溫原理：通過

26、運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過Pt100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號(hào)放大（圖中放大倍數(shù)為10），即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　　根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U1A的“+”端和“-”端電位V+＝V-＝4.096V；假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳1對(duì)地電壓為Vo，根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R1+（Vo

27、-V-）/RPt100＝0，因此電阻Pt100上的壓降VPt100＝Vo-V-＝V-*RPt100/R1，因V-和R1均不變，因此圖1虛線框內(nèi)的電路等效為一個(gè)恒流源流過一個(gè)Pt100電阻，電流大小為V- /R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。</p><p>　　設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： </p><p>　　1. 等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過1mA為準(zhǔn)，以免電流大使得

28、Pt100電阻自身發(fā)熱造成測(cè)量溫度不準(zhǔn)確，試驗(yàn)證明，電流大于1.5mA將會(huì)有較明顯的影響。</p><p>　　2. 運(yùn)放采用單一5V供電，如果測(cè)量的溫度波動(dòng)比較大，將運(yùn)放的供電改為±15V雙電源供電會(huì)有較大改善。</p><p>　　3. 電阻R2、R3的電阻值取得足夠大，以增大運(yùn)放的U1B的輸入阻抗。</p><p>　　圖1恒流源式測(cè)溫電路</

29、p><p>　　由于封裝問題，實(shí)際原理圖如下：</p><p>　　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。</p><p>　　測(cè)溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R1

30、＝R2，VR2為100Ω精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中R3＝R4、 R5＝R6、放大倍數(shù)＝R5/R3，運(yùn)放采用單一5V供電。</p><p>　　設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： </p><p>　　1. 同幅度調(diào)整R1和R2的電阻值可以改變電

31、橋輸出的壓差大??； </p><p>　　2. 改變R5/R3的比值即可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要求</p><p>　　3. 放大電路必須接成負(fù)反饋方式，否則放大電路不能正常工作。</p><p>　　4. VR2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如Pt100的零點(diǎn)溫度為0℃，即0℃時(shí)電阻為100Ω，當(dāng)電位器阻值調(diào)

32、至109.885Ω時(shí)，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)定在了25℃。測(cè)量電位器的阻值時(shí)須在沒有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè)量的電阻值發(fā)生了改變。</p><p>　　5. 理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)×放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2)) （1）式中

33、電阻值以電路工作時(shí)量取的為準(zhǔn)。 </p><p>　　6. 電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因?yàn)槿绻苯覸CC的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動(dòng)造成VCC發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)放輸出的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)再到以VCC未發(fā)生波動(dòng)時(shí)建立的溫度-電阻表中去查表求值時(shí)就不正確了，這可以根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算得知。</p><p>　　圖2三線制接法橋式測(cè)溫電路</p><p><b>　

34、　放大電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本次放大電路我選用的是LM358,其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。</p><p>　　LM358特性(Featu

35、res): 　　</p><p><b>　　信號(hào)調(diào)理電路</b></p><p>　　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)。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)

36、電路</p><p>　　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，則需要將其轉(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。</p><p>　　1. 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器工作原理</p><p>

37、;　　2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理</p><p>　　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4通道12位串行輸出采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7841。</p><p>　　具體連線如下圖所示：</p><p><b>　　單片機(jī)控制電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是采用AT89C5

38、1單片機(jī)作為主控電路，AT89C51單片機(jī)是Atmel公司的產(chǎn)品，與Intel 公司的MCS51系列兼容。在AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有作為程序存儲(chǔ)器的Flash存儲(chǔ)器，其容量為4KB,可以承受不低于1000次的反復(fù)擦寫，調(diào)試比較方便。其中P1口為A/D轉(zhuǎn)換器的通信端口，P2口為按鍵控制，P0口為L(zhǎng)CD的數(shù)據(jù)端口，具體電路圖如下：</p><p><b>　　按鍵和顯示電路</b></p

39、><p>　　本次設(shè)計(jì)使用4x4矩陣鍵盤，將其行線以及列線接到單片機(jī)的P2口，其中列線接上拉電阻然后在通過異或邏輯門在接至單片機(jī)的P2.0到P2.3口。具體連線如下圖所示：</p><p><b>　　顯示電路</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用LCD12864來顯示溫度采集結(jié)果，其中將LCD的數(shù)據(jù)口接入單片機(jī)的P0口，具體接線如下圖所示：&

40、lt;/p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　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。</p>

41、;<p>　　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)基本類型。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，以便達(dá)到測(cè)量控制目的。</p><p>　　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。<

42、/p><p><b>　　軟件的有關(guān)算法</b></p><p>　　1、最小二乘理論獲取溫度―電阻公式</p><p>　　根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測(cè)量值，辦法一般有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，則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

43、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)上不合適。而采用已知的分度表，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

44、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。</p><p>　　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：</p><p>　　T1=2.5772R-257.7708 0-49℃</p><p>　　T2=2.6366R-267.01 50－70℃</p><p>　　T3=2.7206R-281

45、.90 71－100℃</p><p>　　上述3個(gè)數(shù)學(xué)模型中，最大的理論誤差值都小于0.5℃，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。</p><p>　　2、標(biāo)度變換公式的獲取</p><p>　　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

46、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</p><p><b>　　軟件的流程圖</b></p

47、><p>　　圖1 系統(tǒng)總流程圖 圖2 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖</p><p>　　圖3 顯示流程圖 圖4 主函數(shù)流程圖</p><p><b>　　主程序</b></p><p>　　ADS7841驅(qū)動(dòng)程序</p><p&

48、gt;　　#include <iom64v.h>#include <macros.h>#include "delay.h"#include "ads7841.h"#include "LCD1602.h"//----------------------ADS7841控制字節(jié)---------------#define control_byte

49、 0b10011000//bit val description//bit7 1 start,恒為1//bit6,5,4 001 選擇CH0為+IN//bit4 1 選擇為單端輸入//bit2 X 外部MODE接GND,該位無作用,恒為12位//bit1,0 00 轉(zhuǎn)換期間ADC為掉電模式void port_init(vo

50、id){ PORTA = 0xFF;//將所有端口初始化為輸入,打開上拉 DDRA = 0x00; PORTB = 0xFF; DDRB = 0x00; PORTC = 0xFF;</p><p>　　{ LCD_write_onechar(0x87+i,table[array[3-i]]);} delay_nms(300);}}#ifndef _ads7841_

51、h#define _ads7841_hdefine DCLK PD0#define DCLK_ddr DDRD#define DCLK_port PORTD#define DCLK_pin PIND#define CS PD1#define CS_ddr DDRD#define CS_port PORTD#define CS_pin PIND#define D

52、IN PD2#define DIN_ddr DDRD#define DIN_port PORTD#define DIN_pin PIND#define BUSY PD3#define BUSY_ddr DDRD#define BUSY_port PORTD#define BUSY_pin PIND#define </p><p>　　{DCLK_

53、port&=~(1<<DCLK); //時(shí)鐘端初始化為輸出低電平DCLK_ddr|=(1<<DCLK);CS_port|=(1<<CS); //片選端初始化為輸出高電平CS_ddr|=(1<<CS); //即不選中ADS7841DIN_port&=~(1<<DIN);

54、 //數(shù)據(jù)輸入端初始化為輸出低電平DIN_ddr|=(1<<DIN);BUSY_port|=(1<<BUSY); //忙信號(hào)初始化為輸入,打開上拉BUSY_ddr&=~(1<<BUSY);DOUT_port|=(1<<DOUT); //數(shù)據(jù)輸出初始化為輸入,打開上拉DOUT_ddr&=~(1<<

55、;DOUT);</p><p>　　}/******************************************************************************** * 函數(shù)名稱：ads7841_W_R* * 函數(shù)功能：向ADS7841寫入控制字節(jié),讀出轉(zhuǎn)換好的數(shù)* * 輸入?yún)?shù)：unsigned char byte : 控制字節(jié) uns

56、igned int result: AD轉(zhuǎn)換好的數(shù)* * 備 注：數(shù)據(jù)從高位到低位寫入,從高位到低位讀出*******************************************************************************/unsigned int ads7841_W_R(unsigned char byte){</p><p>　　unsigned char

57、 i,temp;unsigned int result=0;for(i=0;i<8;i++) //8位數(shù)據(jù)計(jì)數(shù) </p><p>　　{ DCLK_port&=~(1<<DCLK); //拉低時(shí)鐘端 if(byte&0x80) //當(dāng)前位是否是1 { DIN_port|=(1<<DIN);

58、 //當(dāng)前位是1，拉高數(shù)據(jù)端 } else { DIN_port&=~(1<<DIN); //當(dāng)前位是0，拉低數(shù)據(jù)端 } delay_nus(10); //調(diào)整時(shí)鐘和脈沖寬度 DCLK_port|=(1<<DCLK); //時(shí)鐘上升沿 delay_nus(10); byte<<=1;

59、 //數(shù)據(jù)左移1位，為送出新數(shù)據(jù)位做準(zhǔn)備 }delay_nus(10);DCLK_port&=~(1<<DCLK); //拉低時(shí)鐘端delay_nus(10);i=BUSY_pin; //讀BUSY的狀態(tài)delay_nus(10);if(i&(1<<BUSY)) //如果為高則說明轉(zhuǎn)換完成</p

60、><p><b>　　LCD驅(qū)動(dòng)程序</b></p><p>　　lcdwc((GYPOS&0x1f)|0x80); //先送Y地址</p><p>　　if(GYPOS>=32) //再送X地址</p><p>　　lcdwc((GXPOS/16

61、+8)|0x80);</p><p><b>　　else</b></p><p>　　lcdwc((GXPOS/16)|0x80);</p><p>　　lcdwc(0x30); //恢復(fù)為基本指令集</p><p><b>　　}</b></p

62、><p>　　void lcdon(void) //LCD顯示開啟子程序</p><p>　　{ lcdwc(0x30); //設(shè)置為基本指令集</p><p>　　lcdwc(0x0c);</p><p><b>　　}</b>

63、</p><p>　　void lcdoff(void) //LCD顯示關(guān)閉子程序</p><p>　　{ lcdwc(0x30); //設(shè)置為基本指令集</p><p>　　lcdwc(0x08);</p><p><b>　　}<

64、/b></p><p>　　void lcdgraphon(void) //繪圖區(qū)域顯示開啟子程序</p><p>　　{ lcdwc(0x36);</p><p>　　lcdwc(0x30); //恢復(fù)為基本指令集</p><p><b>　

65、　}</b></p><p>　　void lcdgraphoff(void) //繪圖區(qū)域顯示關(guān)閉子程序</p><p>　　{ lcdwc(0x34);</p><p>　　lcdwc(0x30); //恢復(fù)為基本指令集</p><p><

66、;b>　　}</b></p><p>　　void lcdwd(unsigned char d) //向液晶顯示控制器寫數(shù)據(jù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CSPIN=1; //片選使能</p><

67、p>　　transbyte(0xfa); //SYNCODE=0F8H,RW=0,RS=1,D0=0</p><p>　　transbyte(d&0xf0); //送高四位數(shù)據(jù),低四位補(bǔ)零</p><p>　　transbyte((d&0x0f)<<4);

68、 //送低四位數(shù)據(jù)</p><p>　　CSPIN=0; //片選禁止</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void lcdwc(unsigned char c) //向液晶顯示控制器送指令</p><p><b

69、>　　{</b></p><p>　　CSPIN=1; //片選使能</p><p>　　transbyte(0xf8); //SYNCODE=0F8H,RW=0,RS=0,D0=0</p><p>　　transbyte(c&0xf0);

70、 //送高四位數(shù)據(jù),低四位補(bǔ)零</p><p>　　transbyte((c&0x0f)<<4); //送低四位數(shù)據(jù)</p><p>　　CSPIN=0; //片選禁止</p><p><b>　　}</b><

71、;/p><p>　　void transbyte(unsigned char d) //送1字節(jié)數(shù)據(jù)到液晶顯示控制器子程序</p><p>　　{ unsigned char i;</p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p><p>　　{ if((d&0x80) == 0x80)</

72、p><p>　　transbit(1);</p><p><b>　　else</b></p><p>　　transbit(0);</p><p>　　d<<=1; //從高到低位送字節(jié)位數(shù)據(jù)到液晶顯示控制器</p><p><b&

73、gt;　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void transbit(bit d) //送1位數(shù)據(jù)到液晶顯示控制器子程序</p><p>　　{ STDPIN = d; //先送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)口線DI<

74、/p><p><b>　　_nop_();</b></p><p>　　SCLKPIN = 1; //再使時(shí)鐘口線發(fā)一個(gè)負(fù)脈沖</p><p><b>　　_nop_();</b></p><p>　　SCLKPIN = 0;</p><

75、;p><b>　　_nop_();</b></p><p>　　SCLKPIN = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　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)

76、行控制溫度顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差，但通過調(diào)節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。</p><p>　　通過本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度測(cè)量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

77、和難點(diǎn)是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)單片機(jī)能識(shí)別的電量信號(hào)，其中的信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)雖然時(shí)間比較緊，從一開始的課題確定，到后來的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再在后來的畫原理圖和編程，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到提升。在畫原理圖、電路仿真和調(diào)試過程中不可避免地遇到各種問題，這要求保持沉著冷靜，聯(lián)系書本理論知識(shí)積極地思考，但是最后還是在老師以

78、及同學(xué)的幫助下圓滿解決了這些問題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最后調(diào)試，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，很好地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我了解并掌握了傳感器的基本理論知識(shí)，更深入的掌握單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用和編程控制。為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、打下了良好的基礎(chǔ)，樹立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上得到了比較充分的鍛煉。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

79、<p>　　【1】王化祥，張淑英。傳感器原理及應(yīng)用[M]。天津:天津大學(xué)出版社，2005年；</p><p>　　【2】張俊謨。單片機(jī)中級(jí)教程［M］。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006年；</p><p>　　【3】李志全等。智能儀表設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用[M]。國(guó)防工業(yè)出版社，1998年；</p><p>　　【4】鄭建國(guó)。一種高精度的鉑電阻溫度測(cè)量方案

80、，自動(dòng)化儀表[M]，1997年；</p><p>　　【5】楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M]，西安電子科技大學(xué)出版社，2001年；</p><p>　　【6】周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，1991年；</p><p>　　【7】李建民.單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]，江漢大學(xué)學(xué)報(bào)，1996年。</p>