智能温度检测仪

智能仪器原理及应用题目一：智能温度检测仪

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二〇一六年十一月九号

2016-2017学年第一学期成绩：

一、设计要求

1.1、题目任务要求

选用温度传感器PT100，恒流源电路、放大电路、A/D转换电路和数码管，采用MCS-51 系列单片机实现温度信号的采集、处理和显示。

1.2、设计具体功能要求

1、三线制PT100及恒流源驱动电路设计；

2、放大和比较电路设计，实现-10°C~+100°C转换为0~+5V电压输

出；

3、ADC芯片的选取及和单片机接口设计；

4、多位数码管动态显示设计；

5、编写数据处理程序和标度变换程序。

二、设计题目介绍及分析

温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。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，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。

由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。此次我们利用MCS-51系列单片机结合温度传感器技术设计这一智能温度检测仪。实现-10°C~+100°C温度范围内的温度检测。

三、设计方案论证

智能温度检测仪的设计，包括硬件和软件的设计。具体包括：三线制PT100及恒流源驱动电路设计、放大和比较电路设计，实现-10°C~+100°C转换为

0~+5V电压输出、ADC芯片的选取及和单片机接口设计、多位数码管动态显示设计、编写驱动程序、编写数据处理程序和标度变换程序。在本设计中，是以电阻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。

本设计系统主要包括温度信号采集单元、单片机数据处理单元、温度显示单元。系统的总结构框图如图3-1所示。

图3-1 系统总结构框图

四、具体硬件设计说明

4.1三线制PT100及恒流源驱动电路设计

对于热电阻的测量电路我们采用三线式的测量电路等，三线制PT100中，电阻一端是一根连线，另外两端接2跟连线，三根线的电阻值相等。在桥式电路中引用了恒流源，如图4-1所示。

图4-1 三线制PT100及恒流源驱动电路

图4-1中，差分电压只与PT100的阻值有关，所以，只需通过减法电路，得到V1和V2的差值，再通过放大电路，就可以输入到A/D转换器中。

4.2 放大电路和比较电路设计

图4-2 差分放大电路

此放大电路可以实现-10℃-100℃转化为0-5v的电压输出，如图4-2所示，采用的为差分放大电路。

4.3 ADC芯片的选取及和单片机接口设计

PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，如图4-3所示，看起来非常接近于直线。因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)

其中α=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为华氏温度。但是对于此次设计，这个精度显然不够。又找到了以下关系表达式子。

其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～100℃范围内：

Rt =Ro(1+At+Bt2)

在-10～0℃范围内：

Rt =Ro(1+At+Bt2+C(t-100)t3)

式中A、B、C 为常数，

A=3.96847×10^-3；

B=-5.847×10^-7；

C=-4.22×10^-12；

所以这次设计的最高电阻值约为

R H=R0 (1+At+Bt2) 图4-3 PT100电阻-温度变化图

=100（1+3.96847×10^-3*100+-5.847×10^-7*100*100）

≈139.1Ω

最低电阻值约为

=R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)

R

L

=100

（1+3.96847×10^-3*-10+-5.847×10^-7*-10*-10+-4.22×10^-12）

≈96.03Ω

约跨度R H -R L=43.07Ω

其中跨温度110 ℃，采样精度1也就意味着差不多110个采样点,每个采样点平均分摊0.392Ω的电阻。

通过查阅PT100的使用说明得知，PT100的工作电流理应不超过1mA,所以两端电压值的变化量需要被检测出来的最大分辨率应该是：

1mA*0.392Ω=0.392mV

PT100两端的电压值的取值范围大概为0.096V~0.139V

110个采样点需要7位二进制来表示，所以AD转换器需要分辨率7位以上，这里采用8位的ADC0809芯片：

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微处理机兼容的控制