温度变送器设计报告 (原始)

温度变送器设计与总结报告

摘要： 本文的温度变送器是基于SOC 系列单片机C8051F350的温度测量装

置。利用温度传感器（采用Pt100），将温度转化成电信号，经过放大，A/D 转换，MCU 线性化处理，D/A 转换，V/I 变换，最后将温度测量值转换成4~20mA 的电流输出。温度传感器转化的电信号，经放大以及A/D 转换送到C8051F350单片机中，通过单片机处理与误差校正将测得电阻值在LED 数码管中显示。 关键词：Pt100 C8051F350 LED 数码显示管 V/I 转换

一、方案的设计与论证

方案一：单片机选用C8051F360，其内部集成有10位的ADC ，1024210 ，分辨率较低，导致结果的精度不高。

方案二：单片机选用C8051F350，它内部是24位的ADC ，分辨率较高，能够使结果的精度满足题目的要求。故采用此方案 温度变送器的主体设计方案如图1

390Ω

V 图1 温度变送器的设计框图

二、理论分析与参数计算

1．温度传感器部分：

温度传感器采用Pt100(如图1用Rt 表示)。V REF 提供+5V 的电压，通过R1，Rt ，R2，R3构成的桥式电阻网络将温度转换成电信号，然后得到差分输入电压V=V 1-V 2。此题中通过改变Rt 的阻值来代表不同的温度值。桥式电阻网络如图1.1所示。

单片机采集的数据经过系统校准后，假定AD 输出的数字量为ADCData ，

温度传感器等效电阻为RTDAT ，基准电压源为V REF 。依据此电桥输出电压V 1，RTDAT 的计算关系如下：①2

2132767*V ADCData

V V +=

②111*V V V R RTDAT REF -=

V REF

V 1V 2

图1.1 桥式电阻网络

2．放大电路部分、A/D 转换器：

C8051F360有一个全差分24位的Sigma-Delta 模/数转换器（ADC ），该ADC 具有在片校准功能，两个独立的抽取滤波器可被编程到1KHz 的采样率。可以使用内部的电压基准，也可以用差分外部基准进行比率测量。ADC0 中包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。模拟多路选择器将ADC 的差分输 入与8个外部引脚及内部温度传感器相连。可以使用内部输入缓冲器为直接连接的变送器提供高输入阻抗。一个8位的偏移DAC 允许修正较大的输入偏移电压。

可编程增益放大器 （PGA ）对ADC 输入进行放大，可设置的放大倍数为 1、2、4、8、16、 32、64 和 128。PGA 增益设置由寄存器ADC0CN 中的AD0GN 位控制。通过程序的设定能够实现不同倍数的增益放大。

通过将寄存器ADC0MD 中的AD0EN 位被置 ‘1’来使能ADC0 。其他的可以通过对不同的寄存器进行赋值来进行配置。 3．MCU 、D/A 转换器、LED 数码管显示部分：

将采集的数据通过MCU 的线性处理能够送进LED 数码显示管显示，在LED 数码管中显示的是电阻的值。线性化处理后的结果通过D/A 转换送到V/I 变换电路，以测量电流值。

4．V/I 变换电路： 参数的计算：

W

W DAC L DAC R R R R R R A D V I R R R R R R R R R R R R R R

V I +=-++⨯+=4444013

242452

'

4132'40''/,)

'()'1()

(的和，即的值与是滑动变阻器送出来的电压，转换器

表示从表示输出的电流，其中 电流的值。

有关。负载的值不影响只与，所以电流，则可以得到令

505

024131'R I R V I R R R R DAC ===三、硬件电路的设计

V/I 变换电路由运算放大器TL082，三极管，以及若干电阻和电容组成。其中TL082B 构成电压跟随器,此电路的原理图如图3所示。

图3 V/I 转换电路原理图

四、软件设计

主程序实际上就是C8051F350的初始化，电阻值得转化，与LED 数码管的显示。通过调用中断服务程序，来实现A/D 转化。主程序的流程图如图2所示。

V

图2主程序的流程图

A/D中断服务程序流程图

五、系统的测试结果与误差分析

1．测试仪器：

（1）ESCORT 3136A数字式万用表

（2）LPS-305数控式直流稳压电源

2．测试的数据：

（1）实际的测量值如表1

（2）通过MATLAB 进行误差分析，得到图2.1所示的图形

图2.1 误差分析图

（3）误差的分析：

DAC7512需要提供偏置电压VDD ，由于VDD 是单片机的内部电压源提供，不是恒压的，可能不稳定，在测量的过程中产生跳变，导致测试的结果产生误差。

3．V/I 变换电路的测试与分析

通过对表1的电流值进行分析可以得出：由于导线也存在电阻，导致测试的结果与理论值有偏差。另外一个方面，电阻存在精度误差，一般的碳膜电阻精度为5%。

六、总结

本文的温度变送器主要是由温度传感器（采用Pt100），C8051F350，以及V/I

变换电路组成。重点是对单片机的初始化与数据的线性化处理。通过MATLAB 的线性拟合，对程序的设计能够起到事半功倍的效果。作为一简易的温度变送器能够达到题目的基本要求，并且在此基础上能够提高测量精度，减小测量误差。

参考文献

[1] C8051F350混合信号ISP FLASH微控制器数据手册沈阳航空工业学院潘琢金2005

[2] 数字式温度变送器的设计与数字补偿北京生物化工学院杭和平北京100023

[3] 电子系统设计与实践清华大学出版社贾立新2011

附录：

V/I变换电路的Multisim仿真结果如图4.1 和4.2所示

图4.1当V DAC为0V时电流的输出值

图4.2当V DAC为4V时电流的输出值