课程设计(论文)-数字式温度测量仪表的设计.doc
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1、吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书数字式温度测量仪表的设计学生学号: 学生姓名: 专业班级: 指导教师: 职 称: 起止日期: 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书专业综合设计任务书一设计题目:热电阻测温二设计目的1掌握热电阻测温的基本原理及利用单片机开发工进行编写程序设计的方法; 2掌握用A/D,D/A等元件对电路信号进行转换的电路设计的方法;3熟练掌握利用单片机控制显示管的数字显示;4掌握利用变送器,使最后的测量范围变送精度在一定的范围内。三设计任务及要求设计基于三线制的热阻测温仪表,输
2、入信号为Pt100、Cu50、Cu100可选(能够通过按键选择热电阻分度号),能够以数字形式显示被测温度,测温误差不大于0.5;具有变送功能,对应测温量程变送输出电信号为420mA,在0100测温范围变送精度0.5%。四设计时间及进度安排设计时间共三周(2010.11.012010.11.19),具体安排如下表:周安排设 计 内 容设计时间第一周查阅相关资料和画电路图2010.11.012010.11.05第二周焊接电路及其下载程序调试2010.11.082010.11.12第三周整理有关的知识及做设计说明书和答辩2010.11.152010.11.19五指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年
3、 月 日成绩指导教师(签字):- I -目 录第1章 专业综合设计的目的1第2章 设计任务和要求22.1 设计的基本任务22.2 设计的基本要求2第3章 总体方案设计及原理33.1整体方案设计33.2 热电阻的工作原理33.3 热电阻的信号连接方式4第4章 基于热电阻的温度测量仪表的电路设计54.1 电源模块54.2 温度采集及信号调理模块54.2.1 采集调理模块54.2.2 A/D模数转换模块64.3 单片机系统设计104.3.1 单片机系统104.3.2 单片机与PC间通信接口电路104.3.3单片机与ICL7135的连接电路设计114.4 变送模块124.4.1 D/A输出124.4.
4、2 420mA输出13第5章 软件程序的设计145.1软件介绍145.2 系统的程序设计16第6章 系统调整与测试17第7章 误差分析21第8章 结论21参考文献22附录(I) 程序23附录 (II) 设计元件清单29附录 (III) 整体电路图30- III -第1章 专业综合设计的目的专业综合设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节,是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过专业综合设计使学生获得以下几方面能力,为毕业设计(论文)奠定基础。1进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课(或专业基础课)理论知识,培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能;2培养学生实
5、践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力;3培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。第2章 设计任务和要求2.1 设计的基本任务本设计是将现场采集到的温度信号通过多种类型的热电阻(Pt100、Cu100、Cu50)以电信号的形式表现出来,通过A/D采集并转换成相应的数字信号输入到单片机中。然后通过单片机的处理,把温度信号通过显示器显示出来,从而实现对现场温度的检测。同时要求将采集到的温度信号通过D/A变送成420mA电流的统一标准信号。从而使仪表的互换性和兼容性大为提高,仪表的配套也大为提高。2.2 设计的基本要求设计基于三线制的热阻测温仪表,输入信号为P
6、t100、Cu50、Cu100可选(能够通过按键选择热电阻分度号),能够以数字形式显示被测温度,测温误差不大于0.5;具有变送功能,对应测温量程变送输出电信号为420mA,在0100测温范围变送精度0.5%。第3章 总体方案设计及原理3.1整体方案设计本设计设计的数字检测仪表是把热电阻信号通过传感器检测转变为电压信号,经过调理电路转换成A/D输入的标准信号。之后A/D将模拟电压信号变转换成数字信号,然后送入单片机(MCU)进行处理和运算,单片机将处理的数据通过显示器显示。然后通过D/A将数字信号转换为电流模拟信号。电流信号经过I/V转换电路,转换为电压信号,最后再经过420mA电流输出电路,将
7、信号变送成420mA标准信号输出。整体方案设计如图3-1所示。图3-1 整体方案设计图3.2 热电阻的工作原理热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。作为热电阻的金属材料一般要求:尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系)。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜:铂电阻精度高,适用于中性和氧
8、化性介质,稳定性好,具有一定的非线性,温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过150易被氧化。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即Rt=Rt01+(t-t0)式中,Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0=0)时对应电阻值;为温度系数。中国最常用的铂热电阻有R0=10、R0=100和R0=1000等几种,它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000;铜电阻有R0=50和R0=100两种,它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100、 Cu100和Cu50的应用最为广泛。3.3 热电阻的信号连
9、接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式:1、二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制:这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r,r大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。2、三线制:在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,是工业过
10、程控制中的最常用的引线电阻。3、四线制:在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了
11、导线线路电阻带来的测量误差。第4章 基于热电阻的温度测量仪表的电路设计本设计的电路主要由电源模块、温度采集及信号调理模块、A/D模数转换模块、单片机最小系统、DA数模转换模块、420mA输出模块。具体电路和工作原理下面一一介绍。4.1 电源模块电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源, 它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区,由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。它的基本工作原理为:工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节,实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后,通过采样电路获得输出电压,将此输出电压与基
12、准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压,则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端,通过调节器调节使输出电压增加,直到与基准值相等;如果输出电压大于基准电压,则通过调节器使输出减小。这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性。本设计采用固定集成输出集成稳压电路,它主要由变压器(双9V,5W)、集成整流桥、集成稳压器LM7805(+5V)和LM7905(-5V)构成。如图4-1所示。图4-1 稳压电源4.2 温度采集及信号调理模块4.2.1 采集调理模块热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,所以我们可以把热敏电阻的阻值变化转换成相应的电压信号,然后经过后续的放大电路将采集到的电压放大到一定倍数,
13、被A/D采集并输入到单片机内部。恒流源电路可以产生1mA恒定电流,把热电阻Rt的阻值转换为电压信号Uo(Uo=Rt*11mA),如图4-2所示。电压放大电路主要是把电压信号放大一定的倍数,能被A/D比较精确地采集到。图4-2 温度采集及信号调理对于恒流电路:当稳压管LM385 1.2v 正常工作时,U1=1.2V。放大器A1是一个电压跟随电路,所以U2=U1=1.2V。故,Ii=U/R5=1mA.。为了减小温度对恒流源的影响,本设计采用两只三极管组成的复合管。这样=1*2,增强了恒流源的抗干扰能力。针对电压放大电路:根据“虚短”原理: Ui=U3根据“虚断”原理: = Uo1=2U3即 : U
14、o1=2Ui又由于: =所以,有: Uo=2(1+ )=8Ui电压放大电路之所以放大8倍是因为后续电路中的A/D采用的是ICL7135,它的分辨率Ui是= 1.2V/1999=0.06mV,基准电压是1.2V。而热敏电阻的采样范围是0100,电阻范围是50142的。因此,在基准电压允许的情况下,最优放大倍数是8倍。此外,为了去除电源上的干扰,设计中在放大器的输入端加了滤波电容10uf和0.1uf。这样,就提高了电路的可靠性。4.2.2 A/D模数转换模块A/D转换主要是为了把模拟信号转换成数字信号,输入到单片机中。A/D的型号和类型非常多,下面我们就本设计电路所采用的ICL7135作一下简单介
15、绍:ICL7135的引脚功能及主要特性:ICL7135是双斜积分式4位半单片AD转换器,28脚DIP封装。7135主要特点如下:1. 在每次A/D转换前,内部电路都自动进行调零操作。2在2000字(2V满量程)范围内,保证转换精度1字。3具有自动极性转换功能。4输出电流典型值1PA。5所有输出端和TTL电路相容。6有过量程(OR)和欠量程(UR)标志信号输出,可用作自动量程转换的控制信号。7输出为动态扫描BCD码。8对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于数字电压表外,还能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。9采用28外引线双列
16、直插式封装,如图4-3所示。图4-3 ICL7135引脚图各外引线功能端文字符号说明如下:V- 负电源端,V外接基准电压输入端,AGND模拟地,INT积分器输出,外接积分电容(Cint)端,AZ外接调零电容(Caz)端,BUF缓冲器输出,外接积分电阻(Rint)端,Rr+、Rr-外接基准电压电容(Cr)端,INTO、INHI被测电压(低、高)输入端,V+正电源端,D5、D4、D3、D2、D1位扫描选通信号输出端,其中 D5(MSD)对应万位数选通,其余依次为D4、D3、D2、D1(LSD,个位),B8、B4、B2、B1BCD码输出端,采用动态扫描方式输出,BUST指示积分器处于积分状态的标志信
17、号输出端,CLK时钟信号输入端,DGNG数字电路接地端,R/H转换/保持控制信号输入端,ST选通信号输出端,主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号,OR过量程信号输出端,UR欠量程信号输出端。在电路内部,CLK和R/H两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输入电路,以保证该两端在悬空时为高电平。V+ = +5V,V- =-5V,TA=25。功耗:1000mW(MAX);电源电压:V+:+6V(MAX);V-:-6V(MAX)ICL7135的串行工作方式:1AUTO-ZERO(自动调零)相图4-4 7135时序图在该相时,内部IN+和IN-输入与引脚断开,且在内部连接到ANLG-COMMO
18、N,基准电容被充电至基准电压,系统接成闭环并为自动调零(AUTOZERO)电容充电以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。此时,自动调零精度令受系统噪声的限制,以输入为基准的总失调小于10V。2SINGAL-INTEGRATE(信号积分)相在该相,自动调零环路被打开,内部的IN+和IN-输入被连接至外部引脚。在固定的时间周期内,这些输入端之间的差分电压被积分。当输入信号相对于转换器电源不反相(NO-RETURN)时,IN-可直接连接至ANJG-COMMON以便输出正确的共模电压。同时,在这一相完成的基础上,输入信号的极性将被系统所记录。3DEINTEGRATE(去积分)相该相的基准用于完成
19、去积分(DEINTEGRATE)任务,此时内部IN-在内部连接ANLG-COMMON,IN+跨接至先前已充电的基准电容,所记录的输入信号的极性可确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零。输出返回至零所需的时间正比于输入信号的幅度。返回时间显示为数字读数,并由1000(Vid/Vref)确定。满度或最大转换值发生在Vid等于Vref的两倍时。图4-5 不同VID值时ICL7135时序图4. ZERO-INTEGRATE(积分器返回零)相内部的IN-连接到ANLG-COMMON,系统接成闭环以使积分器输出返回到零。通常这相需要100200个时钟脉冲,但是在超范围(OVERRANGE)转换后
20、,则需要6200个脉冲。图4-4所示是Vid为常数时的ICL7135时序图,由图4-4可知:在Signal-Integrate(即信号积分)相开始时,ICL7135的BUSY信号线跳高并一直保持高电平,直到De integrate(去积分)相结束时才跳回低电平。在满量程情况下,这个区域中的最多脉冲个数为30002个。其中De integrate(去积分)相的脉冲个数反映了转换结果。图4-5是不同Vid值时的ICL7135时序。由图4-5可见:对于不同模拟量输入,ICL7135的BUSY信号的高电平宽度也不同。ICL7135的工作频率可分别为125KHZ、500KHZ;对应转换速度分别约为3次每
21、秒、6次每秒、12次每秒。其中以250KHZ时的转换速度及稳定性较为合适。A/D转换电路如图4-6所示。 图4-6 A/D模数转换电路14位二进制串行计数器 CD4060简介:CD4060 是由一振荡器和 14 级二进制串行计数位组成。振荡器的结构可以是 RC 或晶振电路。CR 为高电平时,计数器清零且振荡器停止工作。所有的计数器均为主-从触发器,在 /CP1 (和 CP0 )的下降沿,计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟的上升和下降时间无限制。图4-7 CD4060引脚和功能表CD4060 是14位二进制计数器/振荡器电路,通过外部简单的RC振荡器,F=1/(2.3R
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