1、本 科 毕 业 设 计远程温度采集仪的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要温度测量系统应用非常广泛，涉及到各行业的方方面面，在各不同的领域中都占有重要的位置,如农业中大棚温度控制等 1。本文设计了一种以 PT100 铂热电阻作为温度采集传感元件，其采集温度范围很宽，为-200-600；以 LM2576 作为 5V 恒定直流电源产生电路的主要集成芯片，以 STC12C5A16S2 单片机为核心的微控制器，其内部自带 10 位 A/D 转换寄存器，从而简化系统的硬件设计，并使其系统的调试简单化的温度远程采集系统。下位机程序采用单片机 C
2、语言编写，上位机温度监控软件采用 Visual Basic 6.0 编写，其采用事件驱动方式及 MSComm 串行通信控件等知识设计上位机与下位机的通信软件，上位机温度实时监控具有良好的人机界面，使得监控更加人性化。同时给出了系统硬件结构原理图和软件设计流程图及相关主要程序。此次设计采用 LM358 与其他基本元件构成的电路充当恒流源，在此激励下，PT100 的阻值随温度的变化而转换成电压的变化，再经 LM358 构成的电压放大电路，放大采样信号后输入到 STC12C5A16S2 单片机的 A/D 口（P1 端口） ，经过单片机程序的处理、温度的补偿，最后经单片机的串行口发送至上位机监控系统显
3、示、存储温度信息。该系统具有精度高、响应快、宽量程等特点。关键词：温度测量；PT100；单片机；上位机；人机界面IIAbstractTemperature measurement system is used widely, related to all aspects of the industry, in all different fields have an important place, such as agricultural greenhouse temperature control. In this paper, the design of a PT100 platinum
4、 RTD sensing element for temperature collection, the collection is very wide temperature range for the -200 -600 ; the LM2576 constant 5V DC power generated as the main integrated circuit chip to STC12C5A16S2 SCM as the core of the micro-controller, its internal own 10-bit A / D conversion register
5、in order to reduce the hardware system design and debug their systems simple. Lower computer program is basically using SCM C language, the host computer temperature monitoring software using Visual Basic 6.0 is written using event-driven manner and MSComm serial communication control and other know
6、ledge to design the host computer and the next crew of the communications software, PC machine temperature real-time monitoring with good man-machine interface, making control more humane. Also gives the hardware structure and software flow chart diagram and major procedures. The design of other com
7、ponents, the use of LM358 act as a constant current source circuit, in this excitation, PT100s resistance changes with temperature changes into voltage, and then posed by the LM358 voltage amplifier, amplify the input signal and sampling to STC12C5A16S2 microcontroller A / D port (P1 port), through
8、the microcontrollers processing, temperature compensation, and finally by the microcontroller serial port to send first-bit machine monitoring system display, storage temperature information. The system has high accuracy and fast response, wide range and so on.Keywords: Temperature measurement; PT10
9、0; PC; SCM; Man-machine interface III目 录前言 .1第 1 章 绪论 .21.1 温度测量方法 .21.2 测温元件的发展动态 .2第 2 章 方案设计 .32.1 本文设计任务 .32.2 测温电路的选择 .32.3 温度传感元件 热电阻 .42.3.1 热电阻测温系统的组成 .42.3.2 热电阻的安装要求 .42.3.3 Pt100 热电阻原理 .42.4 上位机 .52.5 系统设计框图 .5第 3 章 硬件系统设计 .73.1 STC12C5A16S2 单片机 .73.2 5V 电源电路 .83.3 信号放大处理电路 .93.4 数据 发送 模块
10、电路 .103.5 设计最终实际效果图 .11第 4 章 软件设计 .124.1 STC12C5A16S2 自带 A/D 转换 .124.1.1 ADC 转换内部结构图 .124.1.2 A/D 转换基本参数设置 .134.2 特殊功能寄存器简介 .134.3 串行口通信 .144.3.1 串行口 1 的控制寄存器 SCON 和 PCON .144.3.2 串行口 1 缓冲寄存器 SBUF.154.3.3 方式 1 和方式 3 选择 .15IV4.3.4 串行通信中波特率设置 .164.4 与串行口 1 中断相关的寄存器 IE、IP 和 IPH .164.5 下位机程序设计 .174.5.1
11、下位机软件程序流程图 .174.5.2 主要功能模块程序设计 .174.6 上位机软件设计 .194.6.1 上位机通信驱动方式选择 .194.6.2 常用控件属性和方法 .194.6.3 上位机软件程序流程图 .204.6.4 上位机通信程序设计 .204.6.5 软件运行效果图 .22第 5 章 调试 .23结论与展望 .24致谢 .25参考文献 .26附录 1 ：PT100 铂热电阻分度表 .27附录 2：远程温度采集仪原理图 .29附录 3：上位机程序 .30附录 4：下位机程序 .321前言温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中七个基本物理量之一 2。温度测量是工业、农业和科
12、研等部门最普遍的测量项目之一。随着科学技术水平的不断提高，温度测量技术也得到了不断的发展。进入 21 世纪后，国内各行业的产品面临巨大挑战，其中传统产业急切需要应用现代电子技术、自动控制原理技术进行改造和升级。如在纺织行业，温度是影响纺织品质量的重要因素之一，但纺织企业对温度的测控手段仍很粗糙，绝大多数仍采用人工观测，人工进行阀门的调节或调节风机的方法，其控制效果可想而知，既反应迟钝是其致命缺点，制药行业里也基本如此。同时也值得一提的便是：随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。随着人们科技意思的提高，全国各地建立了许
13、多新型温室大棚，用以种植反季节蔬菜、瓜果等作物；养殖业对环境的测控也非常迫切；调温冷藏库的大量兴建，这些都给温度测控技术提供了广阔的发展、应用市场 3。现我国已引进国外一些较为先进的大型温室，自动化程度较高，但是成本也相对较高。在动力工程中，利用热电阻作为传感器最为广泛，研究此类课题，对当今工业领域有着重要意义。热电阻的主体实际由两种不同性质的导体或半导体一端焊接在一起而成，构造简单。由于其在测温时它与被测物体直接接触不受中间介质的影响，所以在工业温度测量有较高的准确性2第 1 章 绪论1.1 温度测量方法温度测量方法有很多，测量原理也存在多样性。其一般分为接触式测温方法和非接触式这两大类。接
14、触式测量方法一般包括膨胀式测温、电量式测温、触式光电和热色测温等几大类。接触式测温法在测量时需要与被测物体或介质需充分接触,一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度,在测量时会对被测温度有一定干扰，从而会影响测温的精度。非接触式测温方法主要包括辐射式测温、光谱法测温、微光干涉测温、声波和微波法测温。非接触式测温方法不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场，动态响应特性一般也很好，但是会受到测量介质物性参数或被测对象表面状态的影响 4。1.2 测温元件的发展动态传统的热电偶、热电阻元件具有测温方法和技术的成熟、结构简单、使用方便等特点，其在未来温度测量领域中，依然拥有被广泛使用的空间。随着新材料、
15、新工艺以及一些新的前言技术的不断发展，其应用范围也会变得更加广泛。在传感器结构改进方面，出现了薄膜温度传感器，其随薄膜技术的不断成熟而发展起来的新型微温度传感器，具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能；其敏感元件为微米级的薄膜，具有体积小、灵敏度高、热干扰小、热动态响应时间短、集成和便于测控人员安装的特点，特别适合微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年发展起来的陶瓷薄膜热电偶，可以测量更高的温度，克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点，其在高温表面温度测量领域应用更为广泛。在热电偶材料方面，一些类型的热电偶得到了提高，并出现了一些新型热电偶类型：（1）钨热电偶抗氧化
16、技术得到了发展，拓宽了其应用领域；（2）一些非标准分度的金属、非金属热电偶正在研究并逐渐得到应用；（3）型热电偶越来越来受到重视。与型热电偶相比，型热电偶的高温稳定性与使用寿命均明显提高。目前国外型热电偶得到了广泛的应用，而国内应用仍旧不是很普遍，但随着对加工产品质量控制要求的提高，N 型热电偶使用将会越来越广泛。随着光电和红外线探测器的发展，出现了多种多样的所谓的辐射式测温技术，如红外测温仪，红外测温技术也得到了更多的应用。近几年光纤测温技术是温度测量技术发展的重点之一，利用其原理制作的光纤多点温度传感器，可以应用在油井温度测量、大坝或地质灾害监测、飞机蒙皮的健康监测等场合 5。3第 2 章
17、 方案设计2.1 本文设计任务设计一套远程温度采集设备：（1） 采集温度范围 0600，精度为 1 度；（2） 采集结果可在计算机屏幕上显示；（3） 采集距离大于 100 米。根据以上设计要求：测温元件采用 PT100 铂热电阻温度传感器，利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等特点，被广泛用于中温（-200600）的范围测量中。数据处理芯片采用自带 10 位 A/D转换的微处理芯片 STC12C5A16S2，从而将减少硬件电路的设计，上位机显示监控软件采用常见的 Visual Basic 6.0 语言编写 7。2.2 测温电路的选择
18、方案一：采用桥式测温电路如图 2.1 所示图 2.1 桥式测温电路采用 R1、R2、VR2、Pt100 构成测量（其中 R1=R2，VR2 为 100 精密电阻），当 Pt100的电阻值和 VR2 的电阻值不相等时。电桥输出一个 mV 级的压差信号，这个压差信号经过运放后输出期望大小的电压信号。方案二：恒流源测温电路测温原理：通过运放 U1A 将基准电压转换为恒流源，电流流过 Pt100 时在其上产生压降，再通过运算放大 U1B 将该微弱压降信号放大，即输出期望的电压信号。如图 2.2 所示：图 2.2 恒流源测温电路4方案一虽结构清晰，流过 Pt100 的电流随着周围温度的变化而变化，当温度
19、减小时，流过其电流增大，发热大，使其测温得温度误差较大，而采用恒流源方案，当恒定电流小于1mA 时，其测温效果比桥式好很多，综上所述，本次设计采用恒流源测温电路较佳。2.3 温度传感元件热电阻所谓热电阻，它就是一种感温元件，即电阻值随温度变化的温度检测元件。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。其主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。2.3.1 热电阻测温系统的组成（1）热电阻测量系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：1、热电阻和显示仪表的风度号必须一致；2、为了消除连接导线变化的影响，必须
20、使用三线制接法。（2）端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更加正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件端面温度。2.3.2 热电阻的安装要求对热电阻的安装，应注意有利于测温准确，安全可靠及维修方便，而不影响设备运行和生产操作，满足以上要求，在选择对热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点：1、为了使热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测点位置，尽量避免在阀门，弯头及管道和设备的死角附近装设热电阻。2、带有保护套管得热电阻有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电阻应该有足够的插入深度：（1）对于测量管道中心
21、流体温度的热电阻，一般都应将其测量端插入到管道中心处（垂直安装或倾斜安装） ，如被测流体的管道直径是 200 毫米，那热电阻插入深度应选择 100 毫米；（2）对于高温高压和高速流体的温度测量（如主蒸汽温度） ，为了减少保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或采用热套式热电阻，浅插式的热电阻保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于 75mm，热套式热电阻的标准插入为100mm。（3）若需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为 4m,热电阻插入深度为 1m 即可。（4）当测量原件插入深度超过 1m 时，应尽可能垂直安装，或加装支架和保护套管。2.3.3 Pt1
22、00 热电阻原理热电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点 10。因此铂热电阻在中温(-200650)范围内得到广泛应用。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、Pt1000等。其的电阻值与温度函数关系线性度非常好，下图所示是其电阻温度在-200650关系曲线。在测量的温度范围内线性度已经非常接近直线。这对于软件中处理温度与电阻的转换关系就相对方便、清晰了。本次毕业设计采用Pt100作为测量温度的传感器。Pt100 的电阻温度关系曲线如下图所示：铂电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：5在-1900范
23、围内：Rt =R0 (1+At+Bt 2+C(t-100)t3)在0650范围内：Rt =R0 (1+At+Bt 2)式中A、B、C 为常数：A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；图 2.3 PT100温度传感器的电阻与温度对应关系图Rpt为温度为某一时刻的电阻值；Ro为温度是外界温度为0时的电阻值，那么Pt100铂热电阻中Ro就等于100，即环境温度等于0度的时候，Pt100 的阻值就是100。当温度变化的时候，Pt100 的电阻也基本随其线性变化，通过以上电阻和温度表达式便可计算得出相对应的温度数值 14。在实际工业应用中，一般使用单片机或其他集成
24、元件来进行温度的计算，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（附录1），再插值的方法换算出温度。2.4 上位机为了使温度监控工作人员能更直观的观测温度数据的变化，采用编程语言在 PC 上设计一个上位机的监控软件，这样就能很明了的显示出要监控对象的参数内容 13。上位机的编写语言有很多种，如 C+、VC、VB 等，对于电气工控人员，其中 VB 很容易上手，所以本次设计上位机采用 VB 语言编写，利用 VB6.0 开发上位机通信程序有两种方法：一种是采用 VB6.0 标准控件 MSComm 实现，另一种是用 Windows
25、的 AIP 来实现通信设置 17。后面这种方法可编程实现的功能较为丰富，应用面相对比较广泛，但要求开发者掌握大量的通信知识，既而比较复杂；而利用 MSComm 串行通信控件，电气工控人员只需知道其标准的属性和事件的方法即可，这样就大大的节省了开发上位机的时间。Microsoft Communications Control（以下简称 MSComm）是 Microsoft 公司提供的简化 WindowsXP/98下串行通信编程的 ActiveX 控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。控件将进行上位机与下位机的通信。MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。MSComm 控件在串口编程时非常方便，因其可移植性高，因而在VC、VB 等语言中都可使用。
