智能仪器原理及应用
题目一：智能温度检测仪
学生姓名 _____________________________
专业 _________________________
学号 _________________________
同组同学 _____________________________
指导教师 _____________________________
学院 _________________________
二O—六年十一月九号
2016-2017学年第一学期成绩：
一、设计要求
仁仁题目任务要求
选用温度传感器PT100,恒流源电路、放大电路、A/D转换电路与数码管，采用MCS-51系列单片机实现温度信号得采集、处理与显示。
仁2、设计具体功能要求
1、三线制PT100及恒流源驰动电路设计；
2、放大与比较电路设计，实现T0° C>100° C转换为0~+5V电压输出;
3、ADC芯片得选取及与单片机接口设计；
4、多位数码管动态显示设计；
5、编写数据处理程序与标度变换程序。
二、设计题目介绍及分析
温度就是自然界中与人类打交道最多得物理参数之一，无论就是在生产实验场所，还就是在居住休闲场所，温度得采集或控制都十分频繁与重要，而且，网络化远程釆集温度并报警就是现代科技发展得一个必然趋势。由于温度不管就是从物理量本身还就是在实际人们得生活中都有着密切得关系，所以温传感器就会相应产生。传感器主要用于测量与控制系统，它得性能好坏直接影响系统得性能。温度传感器从使用得角度大致可分为接触式与非接触式两大类，前者就是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者就是使温度传感器与待测物体离开一定得距离，检测从待测物体放射出得红外线，达到测温得目得。
由于PT100热电阻得温度与阻值变化关系，人们便利用它得这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。它就是集温度湿度采集于一体得智能传感器。温度得采集范围可以在-200°C?+200°C,湿度采集范围就是0%?100%o pt100温度传感器就是一种将温度变量转换为可传送得标准化输出信号得仪表。主要用于工业过程温度参数得测量与控制。带传感器得变送器通常由两部分组成：传感器与信号转换器。传感器主要就是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理与转换单元组成（由于工业用热电阻与热电偶分度表就是标准化得，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T0° C>100° C温度范围内得温度检测。
三、设计方案论证
智能温度检测仪得设计，包括硬件与软件得设计。具体包括：三线制PT100 及恒流源驱动电路设计、放大与比较电路设计，实现T0° C~+100° C转换为0~+5V电压输出、ADC芯片得选取及与单片机接口设计、多位数码管动态显示设计、编写驱动程序、编写
数据处理程序与标度变换程序。在本设计中，就是以电阻PT100作为温度传感器，釆用恒流测温得方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号得采集。
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。系统得总结构框图如图3-1所示。
MCS-51单片机
图3T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
对于热电阻得测量电路我们釆用三线式得测量电路等，三线制PT100中，电阻一端就是一根连线，另外两端接2跟连线，三根线得电阻值相等。在桥式电路中引用了恒流源，如图4-1所示。
图4T 三线制PT100及恒流源驱动电路
图4-1中，差分电压只与PT100得阻值有关，所以，只需通过减法电路，得到V1 与V2得差值，再通过放大电路，就可以输入到A/D转换器中。
4. 2放大电路与比较电路设计
此放大电路可以实现T O°CT 00°C 转化为0-5v ”
得电压输出，如图4-2所示，采用得为差分放大电 200 路。
100
PT100温度传感器就是一种以餡(Pt)做成得电阻式温度
传感器，属于正电阻系 数，由于它得电阻一温度关系得线性度非常好，如图4-3所示，瞧起来非常接近于 直线。因此在测量较小范围内其电阻与温度变化得关系式如下：R 二
Ro(1+aT)
其中a 二0、00392, Ro 为1000 (在0?得电阻值)，T 为华氏温度。但就是对于 此次设计，这个精度显然不够。又找到了以下关系表达式子。 其电阻阻值与温度得关系可以近似用下式表示： 在0?100"C 范围内：
Rt =Ro(1+At+Bt 2)
在-10?0°C 范围内：
Rt =Ro (1+At+Bt 2+C (t-100) t 3)
式中A 、B 、C 为常数，
A 二3、96847X10^-3;
B 二-5、847X10^7; 0-4、22X1 OF 2;
所以这次设计得最高电阻值约为
R F RO (1+At+Bt 2)
图4-3 PT100电阻-温度变化图 二 100 (1+3、
96847 X10/
'-3*100+-5. 847X10^-7*100*100)
~139、 1 O
4、3 ADC 芯片得选取及与单片机接口设计
囹4-上左弁很只电路
0 -100 -200
最低电阻值约为
R L=R0 (1+At+Bt2+C (t-100)t3)
=100(1+3、96847 X10'-3*-10+-5. 847X 10"-7*-10*-10+-4,
22X10^-12)
=96、030
约跨度R H-R L=43、070
其中跨温度"0 "C,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、392 0得电阻。
通过查阅PT100得使用说明得知,PT100得工作电流理应不超过1mA,所以两端电压值得变化量需要被检测出来得最大分辨率应该就是：
1 mA*0. 3920=0. 392mV
PT100两端得电压值得取值范围大槪为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，这里釆用8位得ADC0809芯片：
ADC0809就是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微处理机兼容得控制逻辑得CMOS组件。它就是逐次逼近式A/D转换器，可以与单片机直接接口⑼。
(DADC0809得内部逻辑结构
由图2-9可知,ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器与一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完得数字量，当0E端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完得数据。
⑵引脚说明
图4-4 ADC0809得内部逻辑结构
图4-5 ADC0809引脚图
IN0-IN7:8条模拟量输入通,ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范 围就
是0—5V,若信号太小，必须进行放大；输入得模拟量在转换过程中应该保持 不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入与控制线:ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE 线为高电 平时，地址锁存与译码器将A 、B 与C 三条地址线得地址信号进行锁存，经译码后 被选中得通道得模拟量进转换器进行转换。A 、B 与C 为地址输入线，用于选通IN0 — IN7上得一路模拟量输入。通道地址表如下表4-6所示。
C
B
A
选择得通道
0 0 0 IN0 0 0 1
IN1
INO
INI IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
?
■ ■
■
V?
26 28
IN-0
3Sb2-l
IN-l IN-2
r ADC0809
16
12
IN-4 IN-5 IN-6 IN-7
ref(-)
W)
20 19 18 8 15 14
1 7 7 25 24 23 2
2 9* 6
10 VREF+ VREF-
8
路模拟嚴幵关
三态输岀锁存器
DO
DI D2 D3
D4 D5
D6 D7
Isb2-S ECC
ADD-A ADD-B ADD-C
ALE ENABLE START
2 3 4 5 €
______ 2 2 2 2 2 2
0 1 0 IN2
0 1 1 IN3
1 0 0 IN4
1 0 1 IN5
1 1 0 IN6
1 1 1 IN7
表4-6通道地址表
字量输出及控制线：ST为转换启动信号。当ST出现上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。0E为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到得数据。0E = 1, 输出转换得到得数据;0E = 0,输出数据线呈高阻状态。D7-D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。因ADC0809得内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KH乙
VREF(+)、VREF(-)为参考电压输入。
单片机我们选用MCS-51单片机,ADC0809引脚与单片机接口设计如下：(DADC0809内部带有输出锁存器，可以与MCS-51单片机直接相连。
⑵初始化时，使ST与0E信号全为低电平。
(3)送要转换得哪一通道得地址到A, B, C端口上。
(4)在ST端给出一个至少有100ns宽得正脉冲信号。
⑸就是否转换完毕，我们根据E0C信号来判断。
(6)当E0C变为高电平时，这时给0E为高电平，转换得数据就输出给单片机。
单片机这里我们选用得就是MCS-51系列得8031单片机，图4-7为ADC0809与单片机0821接口电路。
4. 4多位数码管动态显示设计
LED 数码管就是由发光二极管作为显示字段得数码型显示器件。图4-8所示为 0、5英
尺LED 数码管得外形与引脚图，其中七只发光二极管分别对应a ?g 笔段 构成“日”字形另一只发光二极管dp 作为小数点。因此这种LED 显示器称为七 段数码管或八段数码管
g f com a b
」I I I I, I10 9 8 7 6] 品I 11111
e dcom c On a ）外形和引脚
图4-8 LED 数码管
LED 数码管显示电路在单片机应用
系统中可分为静态显示方式与动态显示方 式。 本设计选动态扫描方式得六位七段LED 显示器。其接口电路如图4-9所示，接 口芯片采用8155,其中PA 口用于输出段码，PB 口用于输出位
选码，其地址分别为
图4-7 ADC0809与单片机8031接口电路
——° a ——o b
—c ——O d
- hy ??o e
——f ——Do o 8 ―Dp b ）共阴极结构
c ）共阳极结构
FD01H 与FD02H o
五、软件设计说明
本设计采用C51高级语言编写，因为其提供了库函数包含许多标准子程序，具有较强得数据处理能力，关键字及控制转移方式更接近人得思维方式，且本身并不依赖于机器硬件系统，移植方便。
5、1各部分程序流程图
主程序流程图：主要实现系统得初始化，信号放大,A/D转换，显示数据。主程序流程图如图5-1所示。
图5-1主程序流程图温度转换程序流程如图5-2所示，
图5-2温度转换程序流程图显示流程图如图5-3所示，
图5-3显示子程序