本文所设计的温度测量系统融合了单片机技术与传感器技术,首先利用热电阻进行温度测量,然后再完成热电转换。设计具有较高的实用性,在本系统的基础上进行改进就可以得到生产温度监控系统等。本课题的功能主要是检测环境温度,同时显示温度,当温度大于50摄氏度时,轰鸣器报警。系统运行简单、灵活、可控制、可移植等。
系统包含六个部分:AT89C51单片机,PT100铂电阻,ADC0832转换器,LM324放大器,四位数码管。详细介绍了各个部分的功能与实现过程。系统的关键在于温度测量与温度显示,符合课题要求与规定。
2 方案设计与论证
2.1 传感器的选择
热电阻可以由半导体或金属热电阻材料制成,分别是热敏电阻与热电阻。一般来说,热电阻材料可以是铜、铁、铂等,这些材料的特点在于线性输出性质良好、物化性质稳定、温度系数大、电阻率大等,典型热电阻有PT100等。最近几年,很多半导体厂商设计生产了数字式温度传感器,由DALLAS公司生产的DS18B20,MAXIM公司生产的MAX6576等,它们都可以简单的与单片机接口进行连接,然而这些温度传感器的缺点非常明显,即温度测量范围相对较窄,通常只可以测量零下55摄氏度到125摄氏度,精度不足,通常的误差是两摄氏度左右,所以很多行业领域都不应用这些温度传感器。
因为本系统需要实现0到100摄氏度的温度测量,并且测量分辨率是±0.1℃,考虑到电路及价格等因素的影响,选择PT100作为温度传感器,型号选取WZP型铂电阻,它可以实现零下200摄氏度到650摄氏度的温度测量。附录A给出了该传感器于0到100 摄氏度时的分度性质表。
2.2 方案论证
本系统可选择多种测温方案,比如模拟集成传感器、智能型传感器以及分立式传感器。
第一种:选取模拟分立元件
主要是非线形元件,包括晶体管以及电容等,方案的特点是操作过程容易,价格实惠,电路设计相对简单,然而,它的不足之处在于较大的分散性,很难进行集成数字化处理,同时会面临较大的测量误差。
第二种:选取温度传感器
如果选择温度传感器来测量温度信号,然后利用放大器进行放大,然后再传递给A/D转换芯片,这样就实现了模拟量与数字量之间的转换,单片机控制系统会处理该信息,并且在LED显示器上显示具体温度。
不难发现,温度传感器的测量精度较高,所以本系统选取的测温方案为热电阻PT100,ADC0832转换器,LM324放大器,可以实现高精度、大范围的温度信号采集。比较两个方案,第二种方案的可操作性更强、性能更好、功能更强。所以,本系统选取第二种测温方案。
2.3 系统的工作原理
测温电路的原理:首先,PT100热电阻传感器测得环境温度,然后转变成电压信号,然后使用放大器进行信号放大处理,将信号传递给A/D转换器,模拟电压信号将转变为数字信号,AT89C51单片机内设置了一个温度转换公式,这样就可以将电阻值调整成温度值,最终由数码管显示该温度值。
2.4 系统框图
系统总结构框图:
图2-1 系统的总结构框图
3 硬件设计
3.1 PT100传感器特性和测温原理
PT100温度传感器的材料为铂,它是正电阻系数,具体的温度与电阻值关系可以用如下关系表示:
温度为0~650℃时:
公式:Rt =R0 (1+At+Bt2)
温度为-200~0℃时: