1、本科毕业论文（20 届）基于 PT100 的温度检测仪的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 方案设计与论证 .3第 1.1 节 传感器的选择 .3第 1.2 节 方案论证 .4第 1.3 节 系统的工作原理及系统框图 .5第 2 章 系统硬件电路设计 .6第 2.1 节 PT100 传感器特性和测温原理 .6第 2.2 节 信号调理电路 .7第 2.3 节 电源电路的设计 .7第 2.4 节 放大电路的设计 .8第 2.5 节 A/D 转换器的选择与设计电路 .9第 2.6
2、节 单片机控制电路 .11第 2.7 节 按键和显示电路及其警报电路 .11第 3 章 系统软件设计 .14第 3.1 节 系统软件设计 .14第 3.2 节 软件的流程图 .14第 4 章 系统测试 .18第 4.1 节 Proteus 仿真软件介绍 .18第 4.2 节 电路仿真设计 .18第 4.3 节 测试结果及其分析 .20结论 .22参考文献 .23附录： .25附录 1：部分源程序 .25苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页基于 PT100 的温度检测仪的设计【摘要】：本文首先简要介绍了铂电阻 PT100 的特性以及测温的方法，在此基础上阐述了基于 PT100 的温度检测仪设
3、计。在本设计中，是以铂电阻 PT100 作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D 转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及 PT100 自身的误差，使温控精度在 0100范围内达到0.1。本文采用 STC89C52 单片机，TLC1543 A/D 转换器，LM358 放大器，铂电阻 PT100及 LCD1602 显示组成系统，编写了相应的软件程序,使其实现温度的实时显示。该系统的特点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。【关键词】：
4、单片机；PT100 热电阻；温度检测；Abstract : This article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method, on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100. In this design, it is use a PT100 platinum resistance as temperatur
5、e sensor, in order to acquisition the temperature signal, it use of constant-current temperature measurement method and use single-chip control, Amplifier, A / D converter. In addition, it designs a clock circuit modules to achieve real-time measurement of temperature.It can still improve the perfor
6、m used two-wire temperature circuit and reduce the measurement eror. The temperature precision is reached 0.1 between 0100. The system contains SCM(STC89C52), analog to digital convert department (TLC1543), LM358 amplifier, PT100 platinum,LCD1602， write the corresponding software program to achieve
7、real-time temperature display. The system is simple , accurate , stable and wide range.Keywords:Single-Ship Computer; Resistive Thermal Detector of PT100; Measure-temperature;苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页前言随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。随
8、着电子技术和材料科学的发展，对各种新型的热敏元件及温度传感器要求结构先进、性能稳定，以满足对温度测控技术提出的越来越高的要求。主要介绍了一个基于STC89C52 单片机的测温系统，描述了利用温度传感器 PT100 测温系统的过程，对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了分析，该系统可以方便的实现温度采集和显示，灵敏度高、体积小、功耗低等优点。传感器应用于测量和控制系统，系统的性能受到传感器性能好坏直接影响。因此必须掌握各种传感器的结构、原理及其性能指标，并且必须懂得传感器怎样经过适当的接口电路调整满足信号的处理、显示及其控制的要求，而且通过对传感器应用实例原理和智能传感器
9、实例的分析，才能将传感器和信息处理与通信结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和推广。传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工作效率，各自都在研制适合在市面上流行的传感器，因此各式各样的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器就是众多新型传感器中一类传感器。其发展速度之快，存在还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以
10、及实现热电转换的原理过程。本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D 转换模块，数据处理与控制模块，温度、时间显示模块五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度测量与显示。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页第 1 章 方案设计与论证第 1.1 节 传感器的选择温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，后者非接触式温度传感器与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，当今运用多的是接触式传感器。目前使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，在各种热电式传感器中，以温
11、度转换为电势和电阻的方法最为普遍。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶；将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。热电偶传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用热电阻的材料有铂、铜等，它的高温度系数在 36*10-3范围内、高电阻率、稳定的物理和化学性能、优良的线性输出等特性，常用的热电阻如PT100、PT1000 等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如 DALLAS公司 DS18B20，MAXIM 公司的 MAX6576，ADI 公司的 AD7416 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，MAXIM 公司的 2
12、 种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125 ，而且温度的测量精度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。热电偶属于接触式温度测量仪表是工业生产中最常用的温度检测仪表之一。特点为测量精度高。因热电偶与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到 -269（如金铁 镍铬），最高可达+2800（如钨- 铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外围拥有保护套管，使用方便
13、快捷。热电偶是一种感温元件，它能将温度信号转换为热电势信号，通过与电气测量仪表的使用搭配，就能测量出被测的温度。热电偶的基本原理是热电效应。由于本设计的任务是要求测量波峰焊炉，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的 PT100 作为本课题的温度传感器，具体的型号为 WZP 型铂电阻，该传感器的测温范围从200650。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页第 1.2 节 方案论证对于这系统的硬件设计，分别选取了如下的设计方案进行讨论：1.2.1. 方案一采用了最简单的方式，就是将传感器输出的信号，经过 D/A 转换后直接显示。如图1-1 所示。传感器 D / A 显示器图 1-1 方
14、案一的系统方框图1.2.2. 方案二采用 MAXIM 公司生产的 DS18B20 来采集温度，DS18B20 是采用 1-wire 总接口的数字温度计，测量温度范围为-55-+125 ，精度可达到 0。0675，最大转换时间为200ns。这器件可用一根引与处理器相连，以串行方式将数据送到处理器，经处理器处理后直接显示。如图 1-2 所示。D S 1 8 B 2 0单片机显 示图 1-2 方案二的系统框图 1.2.3. 方案三采用 PT100 传感器采集温度，然后将采集的温度经过信号调理放大电路放大，再通过A/D 转换电路进行数模转换，最终进入单片机运算处理，最后送入液晶进行显示。热电阻 PT1
15、00 在测量电路中采用二线制接法作为反馈端接入电路。如图 1-3 所示。P T 1 0 0 温度采集信号放大器 A / D 转换 单片机 L C D 液晶显示图 1-3 方案三的系统方框图本方案的优点是其恒流源电路硬件上采用恒流源和 10 位的 AD 芯片，误差小。软件上采用了查找表指令，精度高。方案三的电路耐高温且相对简单、性能稳定，便于制作和调试，所以我在设计中选用了方案三的设计方案。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页第 1.3 节 系统的工作原理及系统框图1.3.1. 系统的工作原理测温的模拟电路是把当前 PT100 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号
16、后送给 A/D 转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机STC89C52，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到 LCD 液晶显示。1.3.2. 系统框图本设计系统主要包括温度信号采集单元，时间信号采集单元，单片机数据处理单元，时间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A/D 转换电路。系统的总结构框图如图 1-4 所示。信号放大电路A/D 转换电路PT100 温度传感器STC89C52 LCD 液晶显示按键控制电路时钟电路图 1-4 系统的总结构框图苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页第
17、2 章 系统硬件电路设计第 2.1 节 PT100 传感器特性和测温原理2.1.1. PT100 传感器特性电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。铂电阻是用很细的铂丝(0.030.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理和化学的性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在 (-200650)范围内得到应用非常广泛。目前市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻，如Pt100、Pt500、Pt1
18、000 等。它的电阻温度关系的线性度非常好。铂电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示:在 0650范围内:Rt=R0(1+At+Bt2)在-190 0范围内:Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中 A、B 、C 为常数,A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735;在实际应用中，一般使用单片机来进行温度的计算，由于该表达式比较复杂，用单片机处理这样的计算过程，将会占用大量的资源，程序的编写上也相当复杂，所以一般采用先查表，再插值的方法换算出温度。由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此测量较小范围内系统的温度和电阻变化的数学
19、公式如下：R=Ro(1+T)。其中 =0.00392, Ro 为 100(在 0的电阻值),T 为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为 PT100。主要技术指标：1. 测温范围一般都在-200650之间；2. 测温精度一般都维持在 0.1 摄氏度；3. 稳定性也维持在 0.1 摄氏度的范围。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页2.1.2. 测温原理Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。采用 Pt100 测量温度一般有两种方案：方案一:设计一个恒流源通过
20、Pt100 热电阻，通过检测 Pt100 上电压的变化来换算出温度;方案二:采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个电阻是恒定不变的，另一个用 Pt100 热电阻，当 Pt100 电阻值变化时，测试端子产生一个电势差，从而将电势差换算出温度。两种方案的区别只取决于信号获取电路方式的不同，其原理上基本一致。第 2.2 节 信号调理电路调理电路的作用就是将来源于测试传感器的信号变换成通道中 A/D 转换器能够识别的数据信号，对于本系统的电路，温度传感器是热电阻 PT100，因此调理电路完成的结果是怎样将和温度有关的电阻信号转换成能被 A/D 转换器接收的电压信号 。第 2.3 节 电源电路的设计2.3
21、.1. 电源部分本设计运用作者自己设计的电源，将 220V 电压转换为 9V 电压。通过运用 LM7805CT 直流稳压电源进行线稳压，从而输出一个稳定的直流电压。降低设计的绝缘性的困扰，提高安全性。如图 2-1 所示。图 2-1 电源硬件部分2.3.2. 电源芯片的特性设计的电源部分采用了 LM7805CT（三端 1.5A 正电源稳压电路） ，它拥有固定的电压输出，应用非常广泛。由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使苏州大学本科生毕业设计（论文）第 9 页它基本上不会损坏。LM7805CT 是三端稳压电源模块，外围电路简单，正面看，管脚分别为输入、地、输出。额定输出电流 1.
22、5A，最大输入电压 35V，输入输出压差的最大值是 30V，最小值2V，输出电压 5V，误差 0.2V，实际应用时应根据压差和电流确定 7805 上的耗散功率，增加适当的散热装置。第 2.4 节 放大电路的设计2.4.1. 放大器一般设计放大器选择的好坏对提高测量优良率十分关键，根据查阅的相关资料，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构。着微电子科技的发展，市场上出现了各种专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构大部分是三运放结构。 随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片，在本设计中我们根据手中的元器
23、件材料最终选择了 LM358 作为放大器电路的首级放大。2.4.2. 系统的电路放大器LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。放大电路采用 LM358 集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图 2-2 所示，前一级约为 10 倍，后一级约为 3 倍。温度在 0100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应升高。图 2-2 放大电路
