1、信息與控制工程學院硬件課程設計說明書基于PT100傳感器的溫度測量系統的設計學生學號： 09540217 學生姓名： 李默默 專業班級： 測控0902 指導教師： 金炳濤 職 稱： 講師 起止日期： 2 吉林化工學院Jilin Institute of Chemical Technology課程設計任務書一、設計題目：基于PT100傳感器的溫度測量系統的設計二、設計目的1熟悉Keil uVision開發軟件及Protel電路設計設計軟件的使用。2. 掌握SST89E51單片機體系結構及C語言程序設計方法。3. 掌握PT100熱電阻測溫系統的結構及電路板的焊接、檢測方法。三、設計任務及要求1設計

2、熱電阻測溫電路，并應用Protel畫出其電路原理圖。2完成SST89E51單片機熱電阻測溫系統的焊裝和硬件調試。3學習SST89E51單片機，編寫完整的實驗程序，下載到單片機并進行調試。4. 撰寫設計說明書。四、設計時間及進度安排設計時間共三周（2012.3.52012.3.25），具體安排如下表：周次設 計 內 容設計時間第一周1.設計熱電阻測溫電路，并用Protel畫出電路原理圖；2完成SST89E51的熱電阻測溫系統的焊裝和硬件調試。2012.3.5 第二周1.查找相關資料，編寫實驗程序；2.進行整機調試并完成功能。第三周1.撰寫設計說明書；2.答辯。五、指導教師評語及學生成績指導教師評

3、語: 年 月 日年 月 日成績指導教師(簽字):目 錄課程設計任務書I目 錄II摘要III第1章 概述1第2章 硬件設計及相關介紹22.1 恒流源部分22.1.1 PT100傳感器特性和測溫原理22.1.2 PT100溫度傳感器原理32.2 信號采集調理電路32.3 A/D模數轉換模塊42.4 顯示模塊82.5串口電路及MAX232芯片簡介82.6 SST89E51單片機簡介9第3章 軟件設計及相關介紹123.1 編程語言(C語言)介紹123.2編程軟件Keil簡介123.3程序設計流程圖153.4初始化程序153.5液晶顯示173.6用插值法計算數據183.7運行結果183.8數據測試及誤差

4、分析18結論19參考文獻20摘要近幾年我國熱電阻行業發展速度較快，受益于熱電阻行業生產技術不斷提高以及下游需求市場不斷擴大，熱電阻行業在國內和國際市場上發展形勢都十分看好。本文正是介紹了熱電阻PT100的特性以及測溫的方法，在此基礎上闡述了基于PT100的溫度測量系統設計。在本設計中，是以鉑電阻PT100作為溫度傳感器，采用恒流測溫的方法，通過SST89E51單片機進行控制，用放大器、A/D轉換器進行溫度信號的采集。另外，還設計了NOKIA5110顯示電路，能實現對溫度的顯示。本設計采用了兩線制鉑電阻溫度測量電路，通過對電路的設計和軟件中對測量值的插值計算，減小了測量電路及PT100自身的誤差

5、，使溫控精度在-120+260范圍內達到±0.1。本文采用SST89E51單片機，LM358放大器，ICL7135A/D轉換器，鉑電阻PT100及NOKIA5110組成測量系統，編寫了相應的軟件程序，使其實現溫度的顯示。該系統的特點是：使用簡便，價格低廉；測量精確、穩定、可靠；測量范圍大，使用對象廣，稍加改動之后應用會更加廣泛。第1章 概述 熱電阻應用領域廣泛，覆蓋了工業、農業、交通、科技、環保、國防、文教衛生、人民生活等各方面，在國民經濟建設各行各業的運行過程中承擔著把關者和指導者的任務。由于其地位特殊、作用大，對國民經濟有巨大倍增和拉動作用，有著良好的市場需求和巨大的發展潛力。

6、具體的需求對象可以從以下幾個方面進行表述： 1、在人類社會進入知識經濟時代、信息技術高速發展的背景下，熱電阻及其測量控制技術得到日益廣泛應用，給熱電阻行業的快速發展提供了良好契機。熱電阻是信息產業的源頭和組成部分，是信息技術的重要基礎。2、熱電阻廣泛應用于裝備、改造傳統產業的工藝流程的測量和控制，是現代化大型重點成套裝備的重要組成部分，是信息化帶動工業化的重要紐帶。3、高水平科學研究和高新技術產業的發展迅速提高了對熱電阻的需求，熱電阻在實施科教興國、知識創新和技術創新的過程中，正發揮十分重要的作用。 4、熱電阻已成為現代國防建設技術裝備的重要組成部分，我國航天工業的固定資產1/3是熱電阻和計算

7、機;運載火箭的儀器開支占全部研制經費的1/2左右;導彈的高精度制導、控制，航天精緯測量和紅外成像、專用高溫實驗設備等都是國防裝備中的重點產品。5、熱電阻在探索人類社會可持續發展、抵御自然災害、依法治國并實施有關法律(質量、商檢、計量、環保等)的過程中作為重要實施手段和保障工業被普遍采用。本設計系統包括熱電阻PT100，信號放大器，A/D轉換模塊，數據處理與控制模塊，顯示模塊六個部分。文中對每個部分功能、實現過程作了詳細介紹。整個系統的核心是進行溫度測量與顯示，完成了課題所有要求。第2章 硬件設計及相關介紹本系統的電路主要由線性電源模塊、信號采集與調理模塊、A/D模數轉換模塊、顯示模塊、單片機最

8、小系統模塊組成。具體電路和工作原理下面一一介紹。2.1 恒流源部分恒流源的作用是提供1mA的恒定電流供后續電路使用。具體電路如圖2.1所示。圖2.1 1mA恒流源當恒流源工作時，由于LM385B12穩壓管(1.2V)的穩壓作用，其兩端的電壓U=U1-U2=1.2V。根據虛短原理，運放正反相輸入端電壓U+=U-，即R2 兩端電壓為U，故I=U/R2=1.2v/1k =1.2mA。根據虛斷原理，流過R2的電流將幾乎全部流入復合管而不流入運放的2腳。為了減小溫度對恒流源的影響，本設計采用兩只三級管組成的復合管。復合三極管：又叫達林頓管，將系數放大，即=1*2=2，使達林頓管集電極和發射極電流相等，即

9、Ic=Ib(1+)Ib=Ie=I。電路中R8和R6分別起限流和保護作用，從而大大增強了恒流源的抗干擾能力。2.1.1 PT100傳感器特性和測溫原理PT100溫度傳感器，是一種以鉑(Pt)作成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數。Pt100，就是說它的阻值在0度時為100歐姆。PT100溫度傳感器是一種高精準的測溫儀器，在工業生產中有著重要的作用，本文介紹PT100溫度傳感器原理及其產品特征。 2.1.2 pt100溫度傳感器原理PT100是一個溫度傳感器,是一種穩定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器,可以工作在 -200 至 650 的范圍。電阻式溫度檢測器(RTD,Resistance Te

10、mperature Detector)是一種物質材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻系數,如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻系數。大部分電阻式溫度檢測器是以金屬作成的,其中以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,最為穩定，耐酸堿、不會變質、相當線性最受工業界采用。 PT100溫度感測器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數,其電阻和溫度變化的關系式如下： R=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro為100(在0的電阻值),T為攝氏溫度。因此白金作成的電阻式溫度檢測器,又稱為PT100。PT100是電阻式溫

11、度傳感器，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉換成數字信號，再由處理器換算出相應溫度。主要技術指標：1. 測溫范圍：-200650；2. 測溫精度：0.1；3. 穩定性：0.1。PT100溫度傳感器測量范圍廣：-200+650，偏差小，響應時間短，還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點，其得到了廣泛的應用，本設計采用PT100作為溫度傳感器。采取方案：設計一個恒流源通過PT100熱電阻，通過檢測PT100上的電壓的變化來換算出溫度。2.2 信號采集調理電路信號采集調理電路，就是信號處理電路，把模擬信號變換為用于數據采集、控制

12、過程、執行計算顯示讀出或其他目的的數字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、光強等，但由于傳感器信號不能直接轉換為數字數據，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數字信號之前必須進行調理。調理就是放大，緩沖或定標模擬信號等，使其適合于模/數轉換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到MCU或其他數字器件，以便用于系統的數據處理。該測溫系統這部分電路的主要作用是用熱電阻Pt100配合電流源采集當前的溫度并將其轉換為電壓信號，調理電路將這個微小的電壓信號轉換為可以輸入A/D轉換器的合適電壓值。具體組成電路如圖2.2所示。圖3.2 信

13、號采集調理電路根據運放的“虛短”、“虛斷”作用，有； 運放的7引腳輸出端電壓:；結果將微小的電壓信號放大轉換為可以輸入A/D轉換器的合適電壓值。2.3 A/D模數轉換模塊 ICL7135功能介紹ICL7135是一種四位半的雙積分A/D轉換器，可以轉換出±20000個數字量選通控BCD碼輸出，與單片機接口十分方便。它具有精度高（相當于14位A/D轉換），價格低的優點。其轉換速度與時鐘頻率相關，每個轉換周期均有：自校準（調零），正向積分（被測模擬電壓積分），反向積分（基準電壓積分）和過零檢測四個階段組成，其中自校準時間為10001個脈沖，正向積分時間為10001個脈沖，反向積分直至電壓到

14、零為止（最大不超過20001個脈沖）。故設計者可以采用從正向積分開始計數脈沖個數，到反向積分為零時停止計數。將計數的脈沖個數減10000，即得到對應的模擬量。具體電路如圖2.3所示。圖2.3 A/D模數轉換電路圖2.4給出了ICL7135時序，由圖可見，當BUSY變高時開始正向積分，反向積分到零時BUSY變低，所以BUSY可以用于控制計數器的啟動/停止。圖2.4 ICL7135時序圖計數的時鐘脈沖是由單片機的ALE引腳經過74HC393分頻后得到的。在平時，單片機ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖，若外部時鐘為12MHZ，則ALE端

15、輸出的時鐘頻率為2MHZ。由于ICL7135芯片在時鐘脈沖為125KHZ時對50HZ工頻干擾有較大抑制能力，此時轉換速度為3次/s，故將ALE端的時鐘脈沖經過74HC393芯片16分頻后得到所需的125KHZ。74HC393芯片如圖2.5所示。圖2.5 74HC393芯片及電路圖 ICL7135引腳圖ICL7135為DIP28封裝，芯片引腳排列如圖2.6所示。圖2.6 ICL7135芯片引腳圖 引腳含義及功能：（1）與供電及電源相關的引腳（共7腳）-V：負電源引入端，典型值-5V，極限值-9V；+V：正電源引入端，典型值+5V，極限值+6V；DGND：數字地，ICL7135正負電源的低電平基準

16、； REF： 參考電壓輸入REF的地為AGND引腳，典型值1V，輸出數字量10000×（VIN/VREF)；AC：模擬地，典型應用中，與DGND（數字地）一點接地；INHI：模擬輸入正，此設計中與恒流源連接；INLO：模擬輸入負，當模擬信號輸入為單端對地時，直接與AC相連。 (2) 與控制和狀態相關的引腳（共12腳）CLKIN：時鐘信號輸入，當T80ms時，fcp125KHz，對50HZ工頻干擾有較大抑制能力，此時轉換速度為3次/，極限值fcp1MHZ時，轉換速度為25次/； REFC+：外接參考電容正，典型值F； REFC-：外接參考電容負； BUFFO：緩沖放大器輸出端，典型外接

17、積分電阻； INTO：積分器輸出端，典型外接積分電容； AZIN：自校零端； LOW：欠量程信號輸出端，當輸入信號小于量程范圍的10時，該端輸出高電平； HIGH：過量程信號輸出端，當輸入信號超過計數范圍（20001）時，該端輸出高電平； STOR：數據輸出選通信號（負脈沖），寬度為時鐘脈沖寬度的一半，每次A/D轉換結束時，該端輸出5個負脈沖，分別選通由高到低的BCD碼數據（5位），該端用于將轉換結果打到并行I/O接口； R/H：自動轉換/停頓控制輸入，當輸入高電平時；每隔40002個時鐘脈沖自動啟動下一次轉換；當輸入為低電平時，轉換結束后需輸入一個大于300ns的正脈沖，才能啟動下一次轉換；

18、 POL：極性信號輸出，高電平表示極性為正； BUSY：忙信號輸出，高電平有效，正向積分開始時自動變高，反向積分結束時自動變低。(3) 與選通和數據輸出相關的引腳（共9腳）B8 B1：BCD碼輸出，B8為高位，對應BCD碼；D5：萬位選通；D4D1：千，百，十，個位選通。2.4 顯示模塊本顯示模塊用NOKIA5110液晶來顯示，設計為48*84矩陣LCD控制/驅動，所有顯示的功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發生器，只需很少外部元件，且功耗少，可以顯示字符和漢字。具有很多優點，如體積小，性價比高，接口簡單，僅四根I/O線即可驅動，速度快，工作電壓3.3V，正常顯示時工作電流200u

19、A以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設備。液晶接口電路如圖2.7所示。圖2.7 液晶接口電路引腳功能如下表：D/C數據/命令選擇端SDIN串行數據輸入端SCLK串行時鐘輸入端GND接地端VCC+5V電源/RST復位2.5串口電路及MAX232芯片簡介MAX232是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的電源電平轉換芯片，使用+5V單電源供電，功能是產生+12V和-12V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。串口電路圖如圖2.8所示。圖2.8 串口電路MAX232芯片引腳介紹：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電

20、源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）

21、。2.6 SST89E51單片機簡介SST89E51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的SST89E51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版

22、本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖2.9所示。圖2.9 SST89E51引腳及連線圖引腳及功能：.P0口：雙向8位三態I/O口，為地址總線及數據總線分時復用口，可驅動8個LS型TTL 負載。.P1口：8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型TTL負載。.P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線復用，可驅動4個LS型TTL負載。.P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅動4個LS型TTL負載。.RST/VPP：RST是復位信號輸入端，高電平有效。VPP為本引腳的第二功能，即備用電源輸入端。.ALE/PROG:ALE輸出為地址鎖存允許信號。P

23、ROG為本引腳的第二功能。.PSEN：程序存儲器允許輸出控制端。.EA/VPP:EA功能為內外程序存儲器選擇控制端。此設計中，采用定時計數器0（INT0)外部脈沖計數方法，通過公式（2-6）獲得： （2-6）其中，Vin為輸入電壓，Vref為參考電壓，C為計數值。由上公式可求出Vin，就可以求出R，根據R和溫度T的關系就可以求出當前溫度值。這就是編程中A/D轉換函數的算法和思想。第3章 軟件設計及相關介紹本章主要介紹編程語言C語言和編程工具Keil3軟件，以及本系統的程序設計和在程序設計時所遇到的問題及解決辦法。3.1 編程語言介紹C語言是一種面向過程的計算機程序設計語言，它是目前眾多計算機語

24、言中舉世公認的優秀的結構程序設計語言之一。C語言主要有以下特點：1、 C是中級語言。它把高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節和地址進行操作， 而這三者是計算機最基本的工作單元。2、C是結構式語言。結構式語言的顯著特點是代碼及數據的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護以及調試。3、C語言功能齊全。具有各種各樣的數據類型，并引入了指針概念，可使程序效率更高。另外C語言也具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅動器。4、C語言適用范圍大。適合于多種操作系統，如Windows、DOS、UN

25、IX等等；也適用于多種機型。基于C語言的這些特點，我們選用C語言來作為編程語言。3.2編程軟件Keil簡介KeilC51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。下面詳細介紹KeilC51開發系統各部分功能和使

26、用。我們用開發軟件Keil uVision3來編寫、修改所需程序和下載程序到單片機運行。其下介紹Keil uVision3的使用步驟。1.雙擊Keil uVision3，得到主畫面，如圖3.1所示：圖3.1 Keil uVision3主畫面2新建工程界面 Project-new project，如圖3.2所示：圖3.2 Keil uVision3的新建界面3單片機的選擇，如圖3.3所示：圖3.3 單片機的選擇界面如圖所示能找到本次設計所需主要芯片SST89E51。4C文件的建立與添加，如圖3.4所示：圖3.4 添加C文件在添加C文件之后，就可以在里面編寫自己的程序了，在編寫完后編譯，如果沒有錯

27、誤，就可以下載到芯片當中進行調試并得到最終可用程序。3.3程序設計流程圖本溫度測量系統的程序設計流程圖如圖3.5所示。單片機初始化液晶初始化根據AD碼算出電阻值根據電阻值算出溫度值液晶顯示延時開始圖3.5 程序流程圖3.4初始化程序單片機初始化：本次設計采用ICL7135進行A/D的轉換，在程序的編制時需要使用到單片機的計數器和外部中斷，所以有必要對單片機進行初始化設置，初始化時應設置計數器0為16位計數模式，gate位設置為高限制計數器在外部中斷0引腳為高電平時開始計數，關于中斷的初始化應該打開外部中斷及總中斷允許位，并設置外部中斷0的觸發方式為下降沿觸發。程序如下：void T0-Init

28、()TMOD=0x0D; /00001101，設置定時器0為16位計數器模式TH0=0; /清空計數器TL0=0;EX0=1; / 開外部總中斷IT0=1; / 設置外部中斷0為下降沿觸發方式TR0=1; / 啟動計數器，等待busy端高電平開始計數EA=1; / 開總中斷 NOKIA5110初始化在NOKIA5110液晶工作前應對其進行初始化操作，其指令集如圖3.6所示。圖3.6 NOKIA5110指令集初始化步驟為：復位；指令集的選擇；設置顯示模式；設置顯示地址；清屏；初始化程序為：void LCD_Init()LCD_Reset();LCD_WriteCmd(0x21);/芯片激活，并采

29、用指令集 LCD_WriteCmd(0xff);/寫vop寄存器為0LCD_WriteCmd(0x20);/芯片激活，采用基本指令集LCD_WriteCmd(0x0c);/正常顯示模式LCD_WriteCmd(0x80);/設置X地址為0LCD_WriteCmd(0x40);/設置Y地址為0LCD_ClearScreen();3.5液晶顯示本次設計使用串行方式進行液晶的數據傳送，根據圖3.7的液晶時序圖可知，進行數據（命令）的發送時，應首先設置D/C=1（D/C=0），然后在SCLK的上升沿進行數據的按位發送。圖3.7 液晶時序圖void LCD_WriteByte(BYTE bt) /寫單字

30、節函數 char i; SCLK = 0; for (i=0;i<8;i+) /下降沿串行發送8位數據 bt <<= 1;SDIN = CY;SCLK = 1; SCLK = 0; void LCD_WriteCmd(BYTE x) / 寫命令函數 DC = 0; /DC=0，送命令LCD_WriteByte(x);void LCD_WriteData(BYTE x) /寫數據函數 DC = 1; / DC=1，送數據LCD_WriteByte(x);3.6用插值法計算數據在科學和工程問題上可以通過租入采樣、實驗等方法或得若干離散的數據，根據這些數據，我們往往希望得到一個連續

31、的函數（也就是曲線）或者更加密集的離散方程與已知數據相吻合。這個過程叫擬合。插值是曲線必須通過已知點的擬合，是離散函數逼近的重要方法，利用它可通過函數在有限個點處的取值狀況，估算出函數在其它點的近似值。由于PT100與溫度近似呈線性關系，故采用線性插值法。在本次程序設計中運用了兩次線性插值計算出最終的溫度值，第一次根據AD值算出PT100的阻值，之前先用標準電阻來標定AD值，即自50到220每間隔5測一個AD值，制成表格，再由插值法計算出PT100的實際值。第二次根據阻值算出對應的溫度值，在阻值與溫度的表格中用插值法計算出當時的溫度值。3.7運行結果用變阻箱代替PT100模擬溫度變化時阻值的變化。程序運行