基于PT100的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告及源代碼下載

8總結(jié)........................................................................................................19

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度檢測(cè)及其控制占有舉足輕重的地位，隨著現(xiàn)代信息 技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn) ，能夠獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)和顯示 系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。要達(dá)到較高的測(cè)量精度需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償 問(wèn)題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差等問(wèn)題，使溫度檢測(cè)復(fù)雜 化。模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，抗電磁干擾時(shí)令設(shè)計(jì)者傷腦筋的問(wèn)題，對(duì)于 多點(diǎn)溫度檢測(cè)的場(chǎng)合，各被檢測(cè)點(diǎn)到監(jiān)測(cè)裝置之間引線距離往往不同，此外，各 感元件參數(shù)的不一致，這些都是造成誤差的原因，并且難以完全清除。

單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為 自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮 越來(lái)越大的作用。采用單片機(jī)對(duì)溫度采集進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn) 單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控?cái)?shù)據(jù)的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。

由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子加工技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理 技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)信息資源的需求日益增長(zhǎng)，作為提供信息的傳感技術(shù)及傳感 器愈來(lái)愈引起人們的重視，而綜合各種技術(shù)的傳感器技術(shù)也進(jìn)入到一個(gè)飛速的發(fā) 展階段。要及時(shí)正確地獲取各種信息，解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種具體 的檢查問(wèn)題，就必須合理選擇和善于應(yīng)用各種傳感器及傳感技術(shù)。如最簡(jiǎn)單的溫 度的測(cè)量，有熱電偶、光纖溫度傳感器等等。但是，熱電阻是開(kāi)發(fā)早、種類多、 發(fā)展較成熟的感元器。熱電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電 阻變化。熱電阻器是感元件的一類,按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱電阻器 和負(fù)溫度系數(shù)熱電阻器。熱電阻器的典型特點(diǎn)是對(duì)溫度感，不同的溫度下表現(xiàn)出 不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱電阻器在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱電 阻器在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷 發(fā)展，熱電阻作為一種新型感溫元件應(yīng)用越來(lái)越廣泛。他具有體積小、靈度高、 重量輕、熱慣性小、壽命長(zhǎng)以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),最重要的是作為溫度傳感器的 熱電阻的靈度非常高，這是其他測(cè)溫傳感器所不能比擬的。

使用熱電阻 pt100 溫度傳感器利用其感溫效應(yīng)，熱電阻隨環(huán)境溫度的變化而 變化，在電路圖中將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再將電壓值作為輸入信號(hào) 輸入至 AD 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其輸出端接單片機(jī)，向單 片機(jī)內(nèi)寫(xiě)入源程序，將被測(cè)溫度在顯示器上顯示出來(lái)： 測(cè)量溫度范圍−50℃～110℃。

本題目使用鉑熱電阻 PT100，其阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT 后的 100 即表示它在 0℃時(shí)阻值為 100 歐姆，在 100℃時(shí)它的阻值約為 138.5 歐姆。廠家 提供有 PT100 在各溫度下電阻值值的分度表，在此可以近似取電阻變化率為

0.385Ω/℃。向 PT100 輸入穩(wěn)恒電流，再通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后測(cè) PT100 兩端電壓，即 得到 PT100 的電阻值，進(jìn)而算出當(dāng)前的溫度值。

0.385Ω/℃的特性，計(jì)算出當(dāng)前溫度值。 測(cè)溫系統(tǒng)如圖 2 所示：

如圖 2 所示，熱電阻 RT 和 RA1，RB1 和 RC1，可以改變電阻 R2 組成一 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)橋，在溫度為 20 度時(shí)，調(diào)節(jié) R2 使點(diǎn)橋達(dá)到平衡。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱 電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出不平衡的電壓，經(jīng)過(guò)濾波后，輸入運(yùn) 算放大器，進(jìn)行放大處理。

pt100 是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT 后的 100 即表 示它在 0℃時(shí)阻值為 100 歐姆，在 100℃時(shí)它的阻值約為138.5 歐姆。它的工業(yè) 原理：當(dāng) PT100 在 0℃的時(shí)候他的阻值為 100 歐姆，它的的阻值會(huì)隨著溫度上升 它的阻值是成勻速增漲的。

式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可見(jiàn) Pt100 在 常溫 0~100℃之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：RPt=100

（1+At），當(dāng)溫度變化 1 ℃，Pt100 阻值近似變化 0.39 歐。

LM324 系列器件帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到 3.0V 或者 高到 32V 的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范 圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一 組運(yùn)算放大器可用圖 1 所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5 個(gè)引出腳，其中“+”、“-” 為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè) 信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端 的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相 位相同。如圖 6 所示：

放大倍數(shù) Av 也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為 R3。R4 的阻 值范圍為幾千歐姆到十幾千歐姆。

ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間 100μs，輸入電壓范圍為 0～5V，增加某些外部電路后，輸入模 擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的 輸出可以直接連接在 CPU 數(shù)據(jù)總線上，無(wú)需附加邏輯接口電路。ADC0804 芯片 管腳如圖 8 所示引腳名稱及意義如下：

D7～D0：A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機(jī)總線相 接。

AGND：模擬信號(hào)地。 DGND:數(shù)字信號(hào)地。 CLKIN:外電路提供時(shí)鐘脈沖輸入端。

CLKR:內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器外接電阻端，與 CLKIN 端配合可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘 脈沖，其頻率 為 1.1/RC。

CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器被選中， 可啟動(dòng)工作。

WR：寫(xiě)信號(hào)輸入，接收微機(jī)系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動(dòng)輸入端，低 電平有效， 當(dāng) CS、WR 同時(shí)為低電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

RD:讀信號(hào)輸入，低電平有效，當(dāng) CS、RD 同時(shí)為低電平時(shí)，可讀取轉(zhuǎn)換輸 出數(shù)據(jù)。

INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，低電平有效。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成 。 該信號(hào)常作為向微機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)。

AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱 單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。 單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非 易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由 于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種 高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式

P0 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入 口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須接上拉電阻。

P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接 收輸出 4TTL 門(mén)電流。P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為低八位地址接收。

P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收， 輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作 為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于 內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行 存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)， 當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸 入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的

低位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE 端以不 變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外 部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果 微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。

PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī) 器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號(hào) 將不出現(xiàn)。

/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于 施加 12V 編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

本課程采用 MPX4-DCC 作為顯示器。該顯示器由四個(gè)八段數(shù)碼管組成，如 圖 10 所示，該顯示器是共陰極顯示器，A、B、C、D、E、F、DP 與 P0 口相連，

1、2、3、4 與 P0 口的 P0~P3 相連。所以，當(dāng)顯示器開(kāi)始工作時(shí)，必須向 P0 口 寫(xiě) 0。通過(guò)控制數(shù)碼顯示管的位選，來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示溫度的目的。

Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到 單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的 完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟 件 三 合 一 的 設(shè) 計(jì) 平 臺(tái) ， 其處 理 器 模 型 支 持 8051 、 HC11 、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等。

Proteus 軟件是英國(guó) Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具軟件（該 軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它 EDA 工具軟件 的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍 器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教

在 PROTEUS 繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：*.HEX，可以 在 PROTEUS 的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)程。

PROTEUS 不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行 過(guò)程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示 實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。

它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件高度對(duì)應(yīng)。這在相當(dāng)程 度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢 測(cè)、電路修改、軟件調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果等。

課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于 PROTEUS 提供了 實(shí)驗(yàn)室無(wú)法相比的大量的元器件庫(kù)，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn) 室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、 創(chuàng)造精神的平臺(tái)

使用 Proteus 軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多 媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作 能力。實(shí)踐證明，在使用 Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作， 能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價(jià)值。

Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯 的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理 和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

KeilμVision2 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ) 言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng) C 語(yǔ)言的語(yǔ)法來(lái)開(kāi)發(fā)，與匯編相比，C 語(yǔ)言易 學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，可以在關(guān) 鍵的位置嵌入。Keil C51 標(biāo)準(zhǔn) C 編譯器為 8051 微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供了 C 語(yǔ) 言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51 編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使 你可以更加貼近 CPU 本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51 已被完全集成到μVision2

調(diào)節(jié)熱電阻的“↓”和“↑”，觀察顯示器的示數(shù)找到環(huán)境溫度與示數(shù)之間的 線性關(guān)系，不斷調(diào)整程序使環(huán)境溫度與示數(shù)相對(duì)應(yīng)。

在這一環(huán)節(jié)，示數(shù)與溫度本來(lái)就是呈線性的，尋找示數(shù)與溫度之間的關(guān)系， 即找到示數(shù)與環(huán)境溫度相差多少。在原理上，顯示器上的實(shí)數(shù)是指經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后 的電壓值，并非環(huán)境溫度，所以，示數(shù)與環(huán)境溫度必相差一定的值，只要找到這 個(gè)值，并在程序中稍加改動(dòng)，顯示器上顯示的數(shù)就可以看作是所測(cè)的環(huán)境溫度了。

圖22    環(huán)境溫度 75℃，測(cè)量溫度 74℃

由圖 15—圖 22 可知，本系統(tǒng)的最大誤差為±2℃，由于本系統(tǒng)的測(cè)量范圍 為-50℃—+110℃，所以，本系統(tǒng)的線性誤差為±0.0125。

數(shù)字溫度計(jì)是為了測(cè)溫而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。在單片機(jī)技術(shù)與熱電阻的巧妙結(jié)合 下，可以有效測(cè)出溫度，并實(shí)時(shí)數(shù)字顯示。

該系統(tǒng)雖然設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用的很多，對(duì)鍛煉實(shí)際能力 有很大的幫助。在查找資料和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)熱電阻傳感器、基本的測(cè)控輸入 通道、基本的信號(hào)調(diào)理電路有了比較深刻的認(rèn)識(shí)。由于時(shí)間有限，并受 ADC0832 的精度限制，目前只能測(cè)量室內(nèi)的基本溫度，再加上 PT100 的線性只存在與理想 狀況下，實(shí)際操作中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，以至于不能達(dá)到更高的精度，有待提高。