智能仪器智能温度测试仪的设计.doc

1、北华大学智能仪器综合设计实习报告题目：智能温度测试仪的设计专业：测控技术与仪器班级：姓名：学号：指导老师：1目录一 、 概 述 1二 、 方 案 设 计 21 设 计 任 务 22总 体 方 案 23 具 体 方 案 24PT100 传感器特性 3 5测温原理 3三MK-4PC 智能仪器实验教学系统简介 3四 硬 件 电 路 设 计 51 硬 件 功 能 分 析 52.各 部 分 硬 件 设 计 5五 软 件 设 计 81. 编 程 环 境 介 绍 82.软件功能需求分析103.各部分软件设计11a软件的流程图 11b.主程序11六调试21七实习总结21八 参 考 文 献 222一 、 概 述

2、温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。 由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温传感器就会相应产生。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。由于 PT100 热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并

3、生产了 PT100 热电阻温度传感器。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可以在-200+200，湿度采集范围是0%100%。pt100 温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，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。此次实习我们利用SST89V564RD 单片机结合温度传感器技术而开发设计了

4、这一温度测量系统。二 、 方 案 设 计1 设 计 任 务测 温 的 模 拟 电 路 是 把 当 前 PT100 热 电 阻 传 感 器 的 电 阻 值 ， 转 换 为 容 易 测量 的 电 压 值 ， 经 过 放 大 器 放 大 信 号 后 送 给 A/D 转 换 器 把 模 拟 电 压 转 为 数 字信 号 后 传 给 单 片 机 ， 单 片 机 再 根 据 公 式 换 算 把 测 量 得 的 温 度 传 感 器 的 电 阻 值转 换 为 温 度 值 ， 并 将 数 据 送 出 到 LCD 显 示 器 进 行 显 示 。2总 体 方 案智 能 温 度 测 量 仪 的 设 计 ， 包 括 硬

5、 件 和 软 件 的 设 计 。 先 对 该 测 量 仪 进 行 概括 性 介 绍 ， 然 后 介 绍 该 测 量 仪 在 硬 件 设 计 上 的 主 要 器 件 ： “Pt100 热 电 阻 ”、 单 片 机 和 LCD 显 示 器 以 及 描 述 测 量 仪 的 总 体 结 构 原 理 。 在 本 设 计 中 ， 是 以铂 电 阻 PT100 作 为 温 度 传 感 器 ， 采 用 恒 流 测 温 的 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 的 采 集 。 总 体 来 说 ， 该 设 计 是 切 实 可 行的 。 本

6、设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D 转换模块，数据处理与控制模块，温度显示五个部分。3 具 体 方 案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。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样） 、放大电路、A/D 转换电路。 系统的总结构框图如图 1-1 所示。3系统的总结构框图本温度测量系统设计，是采用 PT100 温度传感器经过放大和 A/D 转换器送到单片机进行控制温度显示。另外本系统还可以通过外接电路扩展实现温度报警功能，从而更好的实现温度现场的实时控制。 经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要求，由于受人为因素和软

7、硬件的限制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减小误差。 4PT100 传感器特性 电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物 质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。 PT100 温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数, 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，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，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为 PT100。 PT100 温度传感器的测量

8、范围广：-200+600，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计即采用 PT100 作为温度传感器。5测温原理通过运放 U1A 将基准电压 4.096V 转换为恒流源，电流流过 Pt100 时在其上产生压降，再通过运放 U1B 将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为 10） ，即输出期望的电压信号，该信号可直接连 AD 转换芯片。智能仪器实验开发平台集中了单双极性输入通道、程控放大、模拟滤波、16 位 A/D 转换及 CPLD 技术和单片机技术，并具有超过 128KB 的大存储空间，集中体现了智能仪器课程所涉及到的各种软硬件技术，非常适合大

9、学本科生的学习以及在此基础上的进一步开发。三MK-4PC 智能仪器实验教学系统简介智能仪器实验开发平台采用模块化设计，整个平台设有一个母板，该母板具有四个相同规格的扩展部分，每个扩展部分设四个插口，每个插口对应的分别为单片机的 P0、P1、P2、P3 口，如图 1 所示。设计时将单片机作为控制部分4的核心，因此单片机板独立占用其中一个扩展，显示部分采用液晶模块完成，该部分还设有四个按键作为组合按键使用。第三个部分为基于 CPLD 的 16 位数据采集部分，设有两个独立输入通道，每个通道可设置为单极性输入或双极性输入，具有程控放大、模拟滤波等功能，CPLD 控制 A/D 转换器完成数据的采集工作

10、，数据采集的采样频率可设置为 10KHz、20KHz 500KHz，采样点数可以根据要求设置。平台的最后一个扩展部分为空，留给平台的使用者做扩展使用，根据要求自己独立设计该部分的电路。图 1 俯视尺寸规格图（单位：毫米）除平台能够独立完成各项实验项目外，为实现对采集的数据进行图形化显示，该平台还可以通过标准的 RS-232 接口与 PC 机连接，通过 PC 机的显示器将数据波形显示出来，同时还可以利用该串行接口对单片机进行仿真或传输控制参数使其工作在设定模式下。整个功能框图如图 2 所示。信号输入信号输入信号调理A D 7 6 5 5 C P L D单片机 P C 机S R A M信号源S R

11、 A M显示按键R S 2 3 2数据采集模块 人机接口模块单片机模块图 2 功能框图5四 硬 件 电 路 设 计1 硬 件 功 能 分 析图 4 硬件部分电路图后面有 CPLD 及单片机，单片机控制液晶显示部分。图 5 液晶显示器电路图2.各 部 分 硬 件 设 计对于热电阻的测量电路我们可以采用二线式的测量电路等。而对于我们此次实习则选择利用恒流源模拟此测量部分。二线式图如下：6图 6 二线式图信号取回后需要进行信号的调理，信号调理电路图如下：图 7 信号调理电路图右下角 OP07 起偏置作用。调节电位器 Rpot1 可调节偏置。上图的差分放大电路的输出连接至程控放大电路的输入。电路图如下

12、：图 8 程控放大电路图7程控放大器的输出信号进入电平抬高电路。如下：图 9 电平抬高电路图两个二极管起钳位作用。这个电路是求差电路。电平抬高电路的输出进入程控滤波电路。如下图：图 10 程控滤波电路图用到的程控滤波芯片为 LTC1569-7，FCLK0 是 CPLD 产生的方波信号，用来控制滤波器截止频率。若要控制滤波器截止频率为 1kHz，CPLD 要产生 32k 的方波信号给 FCLK0。程控滤波电路之后接入 A/D 转换器。图如下：8图 11 AD 转换电路图U20 为 AD780，它是基准电压芯片。A/D 转换器是 AD7655，它是一款 16 位的 A/D，它的数据口 D0-D7、

13、控制端口 BUSY、CNVST、IMPULSE、BYTESWAP 连接至 CPLD。单片机通过往 CPLD 写控制字来控制 A/D 的采样率。单片机部分的电路图如下：图 12 单片机部分电路图五 软 件 设 计1. 编 程 环 境 介 绍9单片机软件开发采用目前比较通用的 Keil51 开发软件完成，该软件有很多详细的应用文档，在此不再赘述。如果不使用硬件仿真器，多数通用单片机都无法实现在线仿真功能，而本实验平台所用单片机 SST89V564RD 可以实现在线仿真以及程序下载功能，两者皆可以通过 PC 机的标准 RS-232 串口与 Keil51 软件通信实现，其连接示意图如下图，本节主要介绍

14、如何在现有 Keil51 软件基础上实现上述功能。针对在线仿真功能，SST 公司为方便用户使用单片机调试程序而开发了调试工具 SoftICE（Software In Circuit Emulator，在电路软件模拟） ，该调试工具可实现下述功能： 下载 INTEL HEX 文件 在线调试及设置断点，支持汇编语言和 C51 语言 反汇编代码区到 8051 助记符 读写代码/数据存储器、FSR 特殊功能寄存器及 PORT 端口 IAP（In Application Programming，应用中再编程）功能 软件重启动标准 R S - 2 3 2 串口线图 6 计算机与实验平台连接示意图对于我们本

15、次实习的单片机 SST89V564RD，我们用 keil C51 编程环境进行程序的编写。keil C51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一。它集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM 语言和 C 语言的程序设计。界面友好,易学易用。对于下载的软件我们可以直接用 keil C51 下载。同时我们也可以在SST 软件的下载页面中下载。而且这两种下载方式都需要程序生成.HEX 文件。如下图所示：10图 13而应用 SoftICE 调试工具进行程序在线仿真调试的过程是这样的：（1）利用 SST Boot-Strap Loader 软件将 SoftICE 直接下载到单片机中，重新上电复位后，单

16、片机中的 SoftICE 便可以与 Keil51 软件通信以进行仿真调试，下载界面如下（2）在 Keil51 软件上选择使用的单片机型号 SST89V564RD；（3）在 Keil51 软件的 Project 下拉菜单中选择“Options for TargetMonitor51”；（4）在 Options for TargetMonitor51窗口的 Debug 栏中选择“Use Keil Monitor-51 Driver”，由于每次 RESET 目标板时用户代码区会被擦除，如果用户程序需要在开始时下载到目标板，要勾上“Load Application at Startup”；（5）点击

17、Settings 项，弹出 Target Setup 窗口进行配置，可以选择 PC 机与目标板通信的串行接口及波特率，如果需要显示存储器的实时窗口，请不要选 Cache Options，注意，如果选择了的中断向量 3Serial Interrupt 去 Stop Program Exacution，SoftICE 将修改在位置 0023H 个字节，要确保用户程序未占用这些地址；（6）开始调试，此时可以根据 Keil51 软件的 Debug 进行程序调试。通过View 下拉菜单的部分选项可以观察及修改特殊功能寄存器及数据存储器等的内容。2.软件功能需求分析单片机软件开发采用目前比较通用的 Kei

18、l51 开发软件完成。如果不使用硬件仿真器，多数通用单片机都无法实现在线仿真功能，两者皆可以通过 PC 机的标准 RS-232 串口与 Keil51 软件通信实现。针对在线仿真功能，SST 公司为方11便用户使用单片机调试程序而开发了调试工具 SoftICE（Software In Circuit Emulator，在电路软件模拟） 。该调试工具可实现下述功能：（1）下载 INTEL HEX 文件；（2）在线调试及设置断点，支持汇编语言和 C51 语言；（3）反汇编代码区到 8051 助记符；（4）读写代码/数据存储器、FSR 特殊功能寄存器及 PORT 端口；（5）IAP（In Applic

19、ation Programming，应用中再编程）功能；（6）软件重启动。利用该调试工具我们可以很方便的用计算机对 MK-4PC智能仪器实验开发平台进行各项试验及实习。3.各部分软件设计a软件的流程图开始系统初始化PT100 温度数据采集处理读到的数据送 LCD 显示结束开始初始化函数A/D 转换器进行 A/D 转换将转换后的电压转换为温度返回图 1 系统总流程图 图 2 温度转换程序流程图开始系统初始化调用温度子程序调用显示子程序调用扫描按键程序开始将温度数据写入到LCD读取温度值显示温度值返回图 3 显示流程图 图 4 主函数流程图12b.主程序ADS7841 驱动程序#include #

20、include #include “delay.h“#include “ads7841.h“#include “LCD1602.h“/-ADS7841 控制字节-#define control_byte 0b10011000/bit val description/bit7 1 start,恒为 1/bit6,5,4 001 选择 CH0 为+IN/bit4 1 选择为单端输入/bit2 X 外部 MODE 接 GND,该位无作用,恒为 12 位/bit1,0 00 转换期间 ADC 为掉电模式void port_init(void)PORTA = 0xFF;/将所有端口初始化为输入,打开上拉

21、DDRA = 0x00;PORTB = 0xFF;DDRB = 0x00;PORTC = 0xFF;DDRC = 0x00;PORTD = 0xFF;DDRD = 0x00;PORTE = 0xFF;DDRE = 0x00;PORTF = 0xFF;13DDRF = 0x00;PORTG = 0xFF;DDRG = 0x00;void main()unsigned int result;unsigned char i,array4,table=“0123456789“;port_init(); /端口初始化LCD1602_init(); /1602 液晶初始化ads7841_init(); /

22、ADS7841 初始化LCD_write_string(0x80,“result:“);while(1)ads7841_start(); /启动 ADS7841,即拉低 CSdelay_nus(10);result=ads7841_W_R(control_byte); /发送控制字,并得到转换数据result /屏蔽掉高四位delay_nus(10);ads7841_finish(); /停止 ADS7841,即拉高 CSfor(i=0;i#include #include “delay.h“#include “ads7841.h“/* * 函数名称：ads7841_init()* * 函数功

23、能：初始化 ADS7841 端口* * 备 注：无*/void ads7841_init(void)DCLK_portelselcdwc(GXPOS/16)|0x80);lcdwc(0x30); /恢复为基本指令集void lcdon(void) /LCD 显示开启子程序 lcdwc(0x30); /设置为基本指令集lcdwc(0x0c);void lcdoff(void) /LCD 显示关闭子程序 lcdwc(0x30); /设置为基本指令集lcdwc(0x08);void lcdgraphon(void) /绘图区域显示开启子程序 lcdwc(0x36);lcdwc(0x30); /恢复为

24、基本指令集void lcdgraphoff(void) /绘图区域显示关闭子程序 lcdwc(0x34);20lcdwc(0x30); /恢复为基本指令集void lcdwd(unsigned char d) /向液晶显示控制器写数据CSPIN=1; /片选使能transbyte(0xfa); /SYNCODE=0F8H,RW=0,RS=1,D0=0transbyte(d /送高四位数据,低四位补零transbyte(d /送低四位数据CSPIN=0; /片选禁止void lcdwc(unsigned char c) /向液晶显示控制器送指令CSPIN=1; /片选使能transbyte(0x

25、f8); /SYNCODE=0F8H,RW=0,RS=0,D0=0transbyte(c /送高四位数据,低四位补零transbyte(c /送低四位数据CSPIN=0; /片选禁止void transbyte(unsigned char d) /送 1 字节数据到液晶显示控制器子程序 unsigned char i;for(i=0;i8;i+) if(delse21transbit(0);d=1; /从高到低位送字节位数据到液晶显示控制器void transbit(bit d) /送 1 位数据到液晶显示控制器子程序 STDPIN = d; /先送数据到数据口线 DI_nop_();SCLK

26、PIN = 1; /再使时钟口线发一个负脉冲_nop_();SCLKPIN = 0;_nop_();SCLKPIN = 1;六调试对上述程序进行保存、编译并生成.HEX 文件，然后下载进入单片机中。此时恒流源上显示的是我们需要测得的电压值，然后经过单片机处理后在液晶上显示出来。我们的程序是将测得的电压值及转换后的温度同时显示在液晶上。对于上面的程序我们首先是将电压值取回并显示在液晶上，这段程序借鉴了我们的实验上的数据采集实验。在程序中加入电阻、电压与温度的分度关系（虚拟线性）后，可以在液晶上显示转化后的温度。七实习总结经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要求，由于受人为因素和软硬件的限

27、制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减小误差。这次课程设计虽然时间比较紧，从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再在后来的画原理图和编程，这一切都使我的理论知识和动22手能力进一步得到提升。在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。通过本次设计，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提 高 了 自 己 解 决 问 题的 能 力 。八 参 考 文 献 智 能 仪 器 ， 程 德 福 ， 林 君 。 2015 年 第 2 版 。 传 感 器 与 检 测 技 术 ， 宋 文 绪 ， 杨 帆 。 2009.11。 单 片 微 型 计 算 机 与 接 口 技 术 ， 李 群 芳 ， 肖 看 ， 张 士 军 。2001.9。