《基于热敏电阻的数字温度计课程设计》.pdf

郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书0目录目录1 绪论绪论 12 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 32.1 测温电桥电路 32.2 信号放大电路.62.3 AD 转换电路.72.4 控制电路.92.5 声光报警电路102.6 显示电路112.7 电源电路123 系统软件设计系统软件设计 154 总结与展望总结与展望16参考文献.17郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书11 概述概述随着以知识经济为特征的信息化时代的到来人们对仪器仪表的认识更加深入，温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数之一随着工业的不断发展，对温度的测量的要求也越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高，因此，温度测量及其测量技术的研究也是一个很重要的课题目前温度计按测使用的温度计种类繁多，应用范围也比较广泛，大致可以包括以下几种方法：1，利用物体热胀冷缩原理制成的温度计2，利用热电效应技术制成的温度检测元件3，利用热阻效应技术制成的温度计4，利用热辐射原理制成的高温计5，利用声学原理进行温度测量本系统的温度测量采用的就是热阻效应 温度测量模块主要为温度测量电桥，当温度发生变化时，电桥失去平衡，从而在电桥输出端有电压输出，但该电压很小。

将输出的微弱电压信号通过 OP07 放大，将放大后的信号输入 AD 转换芯片， 进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来系统硬件原理图如图 11测温模块信号放大模块AD转换模块单片机声光报警模块郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书2图 11 系统框图 系统硬件原理图如图 11 所示，由热电阻传感器测的外界温度，经过信号放大，然后送给模数转换，将原有的模拟信号转换为可以贝单片机识别和运算的数字信号，然后在通过软件编程通过显示电路显示出来当前所测得的温度它的各部分电路说明如下：（1）.测温模块：该部分电路主要使用测温电桥，当温度变化时，电桥处于不平衡状态，从而输出不平衡电压，为测温的基础2).信号处理部分：显示模块电 源 模 块郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书3该部分电路包括电压信号的放大和 AD 转换， 实现模数变换， 以及硬件滤波3).单片机部分：AT89C51 单片机系统是数字霍尔电流表的核心部分，主要任务有：控制TLC2543，为其提供合适的时序，使其正常工作和采集模数转换后的数字信号，使用软件滤除干扰，并对数字信号进行计算，然后输出显示。

4).电源电路部分：该部分电路负责将输入的 9V12V 直流电，分别转换为稳定的 9V、5V、-9V直流电，给传感器，放大电路，单片机，TLC2543 等供电5).显示电路，声光报警电路：显示电路的作用是将测量的温度实时显示出来，当测量温度超过限定值时报警电路将发出声光进行报警郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书42 数字温度计系统硬件电路设计系统由五大部分组成：（1）测温电桥温量电路；（2）数据采集，滤波，放大，AD 转换电路；（3）单片机 AT89C51 控制及数据计算电路；（4）电源电路；（5）温度实时显示电路和声光报警电路2.1 测温电桥电路2.1 测温电桥电路本次课程设计的测温电路为测温电桥，测温电桥的主要部分是热敏电阻热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10100 倍以上，能检测出 10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于 315（目前最高可达到 2000） ， 低温器件适用于-27355； 体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在 0.1100k 间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。

郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书5本次设计采用的是正温度系数的热电阻 PT100，它是最常用的温度传感器之一，与其他热敏电阻相比，它的主要优点是测量精度高（可精确到0.1摄氏度） ，线性度好， 测量范围广 （-200650） ， 性能稳定， 使用方便， 完全满足设计要求， 所以我最终选择铂电阻PT100作为传感器PT100温度传感器属于正电阻系数，其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-2000范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C 为常数，其中A=3.9684710-3； B=-5.84710-7；C=-4.2210-12； 图2-2 电阻温度曲线图由于它的电阻温度关系的线性度非常好，电阻温度曲线如图2-2 所示，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+T) 其中=0.00392, Ro为100(在0的电阻值),T为华氏温度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，然后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。

测温电路原理图如下图所示：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书6R21k1KRT1Res Adj21KRA1Res21KRB1Res21KRC1Res2GNDVCCVout1Vout2图 3.2如上图所示，热敏电阻 RT 和 RA1，RB1，RC1，以及可变电阻 R2 组成一个测温电桥，在温度为 20 度时，调节 R2 使电桥达到平衡当温度升高时，热敏电阻的阻值变大，电桥失去平衡，电桥输出的不平衡电压，经过滤波后，输入运算放大器，进行放大处理电桥的分析：电桥原理图：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书7电桥灵敏度的分析：当各桥臂发生微小变化时，电桥失去平衡，其输出为：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书82.2 信号放大电路2.2 信号放大电路本次课程设计，放大模块采用的是 OP07 放大集成电路OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V ，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA） 和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

OP07 具有以下特点： 超低偏移： 150V 最大 低输入偏置电流： 1.8nA 低失调电压漂移： 0.5V/ 超稳定，时间： 2V/month 最大 高电源电压范围： 3V 至22VOP07 的引脚分布如下图所示：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书9OP07 芯片引脚功能说明： 1 和 8 为偏置平衡(调零端)，2 为反向输入端，3 为正向输入端，4 接地，5 空脚 6 为输出，7 接电源+OP07 放大电路的电路原理图如下所示：1nul12In in3Non in4VCC-5N.C6out7VCC+8nul2OP1OP0731460KR1CRes Pack2100R1BRes Pack2GND512100R1ERes Pack261160kR1FRes Pack2+9V-9VIN1Vout1Vout2如上图所示，将测温电桥的输出用差分的方式输入 OP07，放大 60 倍以获得合适的 AD 输入电压郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书102.3 AD 转换电路2.3 AD 转换电路 此次课程设计的 AD 转换电路， 负责将放大后的模拟电压信号转化为可供单片机识别的数字信号。

主要采用 TLC2543. TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D 转换过程由于是串行输入结构，能够节省 51 系列单片机 I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用2TLC2543 的特点：（1）12 位分辩率 A/D 转换器；（2）在工作温度范围内 10s 转换时间；（3）11 个模拟输入通道；（4）3 路内置自测试方式；（5）采样率为 66kbps；（6）线性误差1LSBmax；（7）有转换结束输出 EOC；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的 MSB 或 LSB 前导；（10）可编程输出数据长度TLC2543 的引脚分布如下图所示：郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书11引脚说明（1）电源引脚Vcc ,20 脚:正电源端,一般接+5VGND,10 脚:地REF+,14 脚:正基准电压端,一般接+5VREF-,13 脚:负基准电压端,一般接地2)控制引脚CS,15 脚:片选端,由高到低有效,由外部输入EOC,19 脚:转换结束端,向外部输出I/O CLOCK,18 脚:控制输入输出的时钟,由外部输入。

3)模拟输入引脚AIN0 AIN10 ,1 9 脚 、 11 12 脚 :11 路 模 拟 输 入 端 ,输 入 电 压 范围:0.3VVcc+0.3V4)控制字输入引脚DATA TN PUT,17 脚:控制字输入端,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书12(5)转换数据输出引脚DATA OUT ,16 脚:A/ D 转换结果输出的 3 态串行输出端TLC2543 在本设计的电路原理图如下所示：1IN02IN13IN24IN35IN46IN57IN68IN79IN810GND20VCC19EOC18I/O CK17IN16OUT15CS14REF+13REF-12IN1011IN9P1TLC2543CLKINOUTCSIN1GNDVCC2.4 控制电路2.4 控制电路AT89C51 单片机最小系统由 AT89C51 单片机及其外围电路组成， 是数字温度计系统的核心AT89C51 单片机在高温环境中稳定性好，支持编程 ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89C51 单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案它的作用是控制 TLC2543 进行模数转换、形成必要的时序、进行数据计算以及控制数码管显示。

AT89C51 单片机各个引脚分布如图所示：S1SW-PB10UC2Cap Pol22155KR1BRes Pack231410KR1CRes Pack2GNDVCCRSTX111.0592MHZ33PC1Cap33PC3CapGNDX2X1郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书13图 1 图 2郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书14P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40U1*AT89C51CSOUTINCLKP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.3P2.2P2.1P2.0RSTX1X2VCCVCCGNDLEDBEEP图 3图 1 为单片机的晶振电路， 图 2 为单片机的复位电路， 图 3 为单片机的引脚分布及各引脚的接口，单片机采用 5V 供电。

D1 为单片机上电电源指示灯，P2.7为报警指示灯的接口，P2.6 为报警蜂鸣器的接口，P0.0-P0.7 为 74HC373 的 8 位数据接口，X1，X2 为晶振电路的接口，与晶振电路相连P1.0-P1.3 为 TLC2543的控制端。