测控电路课程设计：温度测量控制系统

测控系统设计论文

题目：温度测量控制系统

学生姓名：刘涛

学号： 0807250223

院（系）：自动化工程学院

专业：测控技术与仪器

2011 年4 月

1摘要

温度的测量是生产生活中时常需要的工作，进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

Abstract:Temperature measurement is the production of life often need to work, in the 21st century, the temperature sensor is headed in high precision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safety, development virtual sensor and network sensor, research monolithic temperature measuring system and other high-tech direction develop rapidly.

关键词：High precision, multi-function, bus, standardization, high reliability and safety

1.1指导思想

本课题以PT100热电阻为温度检测元件，设计了一个对单点温度实时检测的单片机温度检测系统。

1.2基本设计内容及要求

使用PT100温度传感器（电阻值随温度变化），设计传感器放大电路，将传感器的电阻值转变为0~5V电压信号，将温度值显示出来。再设计控制电路，控制一个300W电热杯温度，使其能够稳定在设定的温度值。

1.3电路特点

设计以测量显示部分电路为主，以单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测。并采用热电阻PT100作为温度传感器、op07作为信号放大器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。

2电路设计

2.1总体设计思想

2.1.1方案论证

方案1：采用单片机测量并控制温度，测量电路采用电桥电路。此方案硬件电路简单，但是需设计复杂的软件电路。

方案2：采用模拟电路测量并控制温度，测量电路采用电桥电路。此方案电路复杂，但是不需要软件电路的支持。

采用方案1，此方案硬件电路简单，易于构成。虽然软件复杂，单片机程序易于获取，且可以用软件校正温度的测量，使测量结果更加精确。

2.1.2原理框图

2.1.3硬件设计思想

电路中单片机采用的是89C51，是我们书中常用的单片机型号。

在温度信号的获取与放大电路中，以PT100为温度传感器获取温度信号，以放大器op07为信号放大器件。

电热杯控制电路中，由于电热杯是使用220v 的强电，故需要与单片机电路隔离，采用的是继电器控制电热杯。用7409驱动继电器，二极管作为继电器的保护电路。

显示电路中由于需要显示带小数点的4位数字，采用的是4个Bcd7段带小数点的共阴数码管显示测量值，用8255扩展单片机的输出端口。

键盘电路中采用的是三个独立式按键修改温度的恒定值,按键分别是加、减、功能键。按下功能键便可修改温度值，按功能键不同次数可以选择加减的幅值，再次按功能键确定。

A/D 转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度。由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用8位串型A/D 转换器ADC0809便能能达到设计的基本要求。为进一步提高精度，可以直接采用12位A/D 转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率。因为8位ADC0809其性价比更高，更重要的是我在课本上学的就是ADC0809，对它更加熟悉，所以本次设计我选用了ADC0809作为模数转换器。

2.2各主要电路及部件工作原理

2.2.1单片机电路

单片机采用89C51。AT89系列单片机对于一般用户来说，有下列明显的优点：①内部含有Flash 存储器，在系统开发过程中很容易修改程序，可以大大缩短了系统的开发时间。②与MCS-51系列单片机引脚兼容，可以直接进行代换。③AT89系列并不对80C31的简单继承，功能进一步增强，在我国这种单片机受到广泛青睐。

2.2.1.1时钟显示

单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。单片机的时钟产生方式有两种。

①内部时钟方式。②外部时钟方式。

2.2.1.2复位电路

单片机的复位是靠外部电路实现的。单片机工作后，只要在它的RST引线上加载高电平，单片机就能够有效地复位。

单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。

2.2.2温度信号的获取与放大

在本电路中，以PT100为温度传感器获取温度信号，以放大器op07为信号放大器件。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器OP07的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。

2.2.2.1PT100温度传感器

PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器，主要技术参数如下：

① 测量范围：-200℃～+850℃；

② 允许偏差值∆℃： A 级 ()0.150.002t ±+， B 级 ()0.300.005t ±+； ③ 响应时间＜30s ；

④ 最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm ；

⑤ 允通电流≤5mA 。

另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

鉑热电阻的线性较好，在0～100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。鉑热电阻阻值与温度关系为：

① -200℃＜t ＜0℃时，()231001*100Rt R At Bt Ct t ⎡⎤=*+++-⎣⎦；

② 0℃≤t ≤850℃时，()21001Rt R At Bt =*++；

式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见PT100在常温0～100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：()1001Rt R At =*+，当温度变化1℃，PT100阻值近似变化0.39Ω。

2.2.2.2信号放大电路

对信号放大，我使用了低价格、高精度的仪器放大器OP07，它运用方便，O 是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，可以通过外接电阻方便的进行各种增益的调整。其增益计算公式为：

(1)

2.2.2.3温度值计算过程

由于A/D 检测到的模拟电压值

(2)

(3)

其中，。