《温度检测的系统设计》实验报告.doc
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1、温度检测的系统设计实验报告 专业:电子信息工程 学号:1228401083 姓名:杨海艺 指导老师:周鸣籁摘要 温度检测系统是一种应用非常广泛且较热门的系统,对现代社会越来越重要。此次温度检测系统设计在硬件方面主要采用STC89C52单片机作为主控核心并通过1602LCD液晶显示屏显示、蜂鸣器上下限温度报警实现温度显示;温度检测则是由铂电阻温度传感器PT100的热电效应产生的电动差通过桥式差分输入LM324组成的放大电路及低通滤波电路进行放大滤波,然后通过16位的高精度A/D1100数模转换到单片机进行处理。STC89C52单片机是由Atmel公司推出的,功耗小,电压可选用46V电压供电;热电
2、阻PT100电阻温度系数为3.9103,0时电阻值为100,电阻变化率为0.3851/铂电阻温度传感器精度高,稳定性好,应用温度范围广,是中低温区(-200650)最常用的一种温度检测器,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计。关键词:STC89C52;LM324;A/D1100AbstractRecently,Temperature detection system is a widely used and more popular systems, more and more important in modern society. The temperature detecti
3、on system design in terms of hardware used mainly as a master STC89C52 microcontroller core and through 1602LCD LCD display, a buzzer sound and temperature alarm limit for temperature display; the temperature is detected by the thermoelectric effect of platinum resistance temperature sensor PT100 po
4、wer generated by the difference between the differential input bridge consisting LM324 amplifier and low pass filter circuit amplifies the filter, and then by 16 high-precision A / D1100 digital-analog conversion to the microcontroller for processing. STC89C52 SCM was introduced by Atmels low power
5、consumption, voltage can be selected 4 6V voltage power supply; RTD PT100 resistance temperature coefficient of 3.9 10-3 / , 0 when the resistance value of 100, resistance change was 0.3851 / platinum resistance temperature sensor high accuracy, good stability, wide application temperature range is
6、in the low temperature (-200 650 ) most commonly used temperature detector, not only widely used in industrial temperature measurement, and is made from a variety of standard thermometer.Key words: STC89C52; LM324;A/D1100目 录第一章 基于单片机温度检测系统的方案研究1.1 系统基本方案选择和论证1.1.1 测量温度传感器选择方案与论证1.1.2 放大电路的选择方案与论1.1.
7、3 滤波电路的选择方案与论证1.1.4 A/D模数转换的选择方案和论证1.1.5 显示模块选择方案和论证1.1.6 温度上限声光报警模块的选择方案与论证1.2 热电阻PT100,LM324,AD1100和LCD1602的原理及说明1.2.1 热电阻PT100工作原理及说明1.2.2 LM324工作原理及说明1.2.3 AD1100作原理及说明1.2.4 LCD1602的工作原理及说明1.2.5 蜂鸣器工作原理及说明第二章 系统的硬件设计与实现2.1系统的设计框图2.2电路模块的设计和原理图2.2.1温度采集模块的设计2.2.2 A/D模数转换模块的设计2.2.3放大电路模块的设计2.2.4滤波
8、电路模块的设计2.2.5振荡电路原理图2.2.6蜂鸣器电路原理图2.2.7显示电路原理图第三章 系统测试3.1仿真调试3.2 硬件测试3.3 软件测试第五章 实验数据分析参考文献附录 【程序代码】第一章 基于单片机温度检测系统的方案研究1.1 系统基本方案选择和论证1.1.1 测量温度传感器选择方案与论证方案一:使用数字型DS18B20温度传感器。它是单线接口方式,在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;测温范围 55125,在10-50C范围内精度高达0.1C;支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上;且在使用中不需要任何外围元件。方案二
9、:采用铂电阻温度传感器PT100,电阻温度系数为3.9103,0时电阻值为100,电阻变化率为0.3851/铂电阻温度传感器精度高,稳定性好,应用温度范围广,是中低温区(-200650)最常用的一种温度检测器,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计。它测量精度高(热电阻直接与被测对象接触,不受中间介质的影响),测量范围广。在使用时,它能将温度信号转换成热电势信号, 通过电气测量仪表的配合, 就能测量出被测的温度。由于实验要求模拟电路为主,此次采用方案二。1.1.2 放大电路的选择方案与论 方案一:采用两片数字AD603级联来实现放大和增益控制。AD603最高带宽可达到90MHz,最高
10、可达到51dB增益,通过DA输出控制GPOS和GNEG引脚之间压差实现增益控制,两片级联即可满足增益要求。但AD603价格昂贵,且电路设计要求没有那么高的精度带宽要求。 方案二:采用LM324三运放差分电路进行放大,尽可能提高输入阻抗和共模抑制比,尽可能减小输出噪声和温漂,从而尽可能减小信号的失真。在实际使用时可以根据需要调整放大倍数的大小,灵活方便,通用性强,极具实用价值。 所以此次采用方案二。1.1.3 滤波电路的选择方案与论证方案一:为了去掉50Hz信号和其他随机噪声的干扰。从滤波效果好和电路尽可能简单的角度考虑,采用高清度运放LM324设计一个二阶压控电压源低通滤波电路,该电路没有较高
11、的带宽及精度要求。 方案二:采用AD713构成状态变量滤波器进行滤波。该电路滤波效果好,决定截止频率和Q值的元件相互独立,且元件灵敏度低,可达到较高的Q值,通过改变数字电位器的阻值实现中心频率的调节,但由于AD713属于高精度,高带宽芯片,价格昂贵。 由于此次对滤波性能要求不高,所以采用方案一。1.1.4 A/D模数转换的选择方案和论证 方案一:A/D转换电路的采用ADC0804进行设计,显示电路采用发光二极管进行设计。555振荡电路产生1KHz的脉冲信号触发ADC0804的WR完成A/D转换操作。ADC0804是分辩率为8位的逐次逼近型的A/D转换器,完成一次转换大约需要100us,输入电压
12、为0-5V引出端是芯片内部电阻所用的基准电源电压,为芯片电源电压的1/2,即2.5V。 方案二:采用16位的高精度AD1100数模转换芯片,内部自带时钟,不需要外部脉冲信号的驱动,结构简单,操作方便,且精度较高,软件要求不高。 所以此次采用方案二。1.1.5 显示模块选择方案和论证温度数据的显示模块我们一共有两种选择方案,分别是:数码管显示,LCD1602液晶屏显示:方案一: 采用通用的LED数码管,这样显示的相对来说要简单许多。对程序的编程也相对来说较方便。但是,数码管占用的IO口较多。方案二: 1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符
13、有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码。这样在显示温度数据的时候就比较的直观同时在一定程度上也增加了字符的丰富感。比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。方案三:采用LCD12864显示,带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方
14、便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。为了更加方便的满足设计要求及减少软件上带来的不便,此次采用了方案二。1.1.6 温度上限声光报警模块的选择方案与论证声音报警我们选择蜂鸣器来达到报警目的,光提醒我们选择体积小、亮度高等优点的led发光二极管。方案一:有源蜂鸣器内部带有振荡源,所以,只需要通上其正常的工作直流电压就可以有效的工作。故,其连接线路简单,占用的程
15、序储存空间小。方案二:无源蜂鸣器内部不带振荡源,所以,直接用工作的直流电是不会有效的发出声响的。必须用2kHz5kHz的方波信号去控制驱动它,那样它才能顺利的工作。综上所述,我们会选择操作简单的方案一。1.2 热电阻PT100,LM324,AD1100和LCD1602的原理及说明1.2.1 热电阻PT100工作原理及说明 热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测理温度的,在工业上被广泛地应用于测量中低温区(-200500)的温度。目前主工的热电阻有铂、铜、镍等,为适应低温测量的需要,还研制出川铟、锰、碳等作为热电阻材料。l 铂热电阻铂电阻在氧化性介质中,甚至在高温下,物理、
16、化学性能比较稳定,因此,它有很好的稳定性和测量精度,主要用于高精度的温度测量和标准测温装置中。铂电阻与温度的关系,在0630.74以内为 (13)在-1930以内为 (14)式中是温度为时的电阻值;是温度为0时的电阻值;t为任一温度值;A、B、C为分度系数,A=3.940 / ,B=-5.84 / ,C=-4.22 / 。由上式可知,要确定与t的关系,首先要确定的数值。在工业上将相应于=50 和=100的t的关系制成分度表,称为热电阻分度表,供读者查阅。l 热电阻温度传感器的连线方式热电阻由于温度高,性能稳定等优点在工业测量中得到广泛应用。但其缺点是热惯性大,需辅助电源。另外,值得注意的是,流
17、过热电阻丝的电流一般为45mA,不能过大,否则会因为产生的热量过多而影响测量精度。由于热电阻的阻值很小,所以以它的测量误差与其接线电阻有关。如50 的铂电阻,1 的导线电阻将产生5 的误差。一般为了降低导线的电阻影响。如下图7所示,实际温度测量中,常用电桥作为热电阻的车来那个电路。因此,利用电桥接线法能精确的测量温度。由于这种方法精确并且简单,所以,在工业上用铂电阻测温时,几乎都是这种接线方法。1.2.2 LM324工作原理及说明LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器,与单电源应用场合的标准运算放大器相比,他们有一些显著的优点,该四放大器可以工作在低到3V或者32V的电源下
18、,共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性,输出电压范围也包括负电源电压。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。LM324性能指标:l 短路保护输出l 真差动输入级l 单电源工作:3.0V至32Vl 低输入偏置电流:100nAl 每一封装有四个放大器l 内部补偿l 行业标准引脚输出l 在输入端的静电放电位增加可靠性而不影响器件的工作1.2.3 AD1100作原理及说明 ADS1100全差分输入、16位分辨率、有自校准功能的精密A/D转换器,该芯片的内置自校准系统对于用户是透明的。ADS
19、1100使用I2C串行接口以电源电压作用参考电压,片内可编程增益放大器(PGA)可提供最大的为8的增益,因此,即使在高分辨情况下也能采样到小信号,在单次转换模式下,ADS1100在一次转换结束后可自动关闭自身电源,因而可减少系统在空闲周期的电流消耗,由于ADS1100的易用性,故可以大大降低精密测量设备工作的工作量,ADS1100主要应用在空间和功耗方面要求比较严格的高分辨率采样测量电路中,ADS1100以其独特的精度特性可广泛应用便携设备、工业过程控制器、智能发射器、消费类产品、工厂自动化设备和温度测量等系统。l ADS1100引脚排列: 图3 ADS1100l ADS1100的主要特点如下
20、:16位无丢码 8个地址范围有连续自校准功能单周期转换 内部带有系统时钟具有I2C接口精度:0.0125(FSR MAX)可编程增益放大器的增益可在1、2、4或8中进行选择低噪声:4Vpp 可编程数据采样速率:8SPS128SPS电源电压为2.75.5V电流损耗可低至90Al ADS1100的内部结构 ADS1100的内部包括A/D转换器,可编程增益放大器,时钟发生器和I2C接口四大部分,芯片内部时钟发生器产生的时钟信号可直接送给A/D转换核及I2C接口,而无需片外时钟,A/D转换核包括差分开关电容转换结构以及其后的数字滤波器。差分模拟信号经PGA到A/D转换核转换后可输出二进制编码。l 工作
21、原理 1) 上电和复位ADS1100上电时会自动复位并将控制字寄存器设置成默认值。此外,它也能响应I2C复位指令(全局调用复位指令GENERAL CALL RESET:地址字节是00H接着是数据字节06H),在接收到复位指令后,ADS1100将执行内部复位,此时如果正在转换,则中断,输出寄存器置0,并将控制字寄存器恢复默认值。 2) ADS1100的I2C地址ADS1100的I2C地址是1001xxxB,其中xxx由厂家设定,ADS1100有8个不同的I2C地址(从000到111)。根据I2C的不同地址可分为8个独立器件,其各自封装的打标字样(在芯片的顶部)如表3所列。 3) 输出编码输出编码
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