基于PT100的数字温度计的设计 课程设计报告及源代码下载

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在工农业生产中，温度检测及其控制占有举足轻重的地位，随着现代信息 技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现 ，能够独立工作的温度检测和显示 系统已经应用于诸多领域。要达到较高的测量精度需要很好的解决引线误差补偿 问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差等问题，使温度检测复杂 化。模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰时令设计者伤脑筋的问题，对于 多点温度检测的场合，各被检测点到监测装置之间引线距离往往不同，此外，各 感元件参数的不一致，这些都是造成误差的原因，并且难以完全清除。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为 自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥 越来越大的作用。采用单片机对温度采集进行控制，不仅具有控制方便、组态简 单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控数据的技术指标，从而能够大大 提高产品的质量和数量。

由于科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术，计算机技术及信息处理 技术的发展，人们对信息资源的需求日益增长，作为提供信息的传感技术及传感 器愈来愈引起人们的重视，而综合各种技术的传感器技术也进入到一个飞速的发 展阶段。要及时正确地获取各种信息，解决工程、生产及科研中遇到的各种具体 的检查问题，就必须合理选择和善于应用各种传感器及传感技术。如最简单的温 度的测量，有热电偶、光纤温度传感器等等。但是，热电阻是开发早、种类多、 发展较成熟的感元器。热电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电 阻变化。热电阻器是感元件的一类,按照温度系数不同分为正温度系数热电阻器 和负温度系数热电阻器。热电阻器的典型特点是对温度感，不同的温度下表现出 不同的电阻值。正温度系数热电阻器在温度越高时电阻值越大，负温度系数热电 阻器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。随着半导体技术的不断 发展，热电阻作为一种新型感温元件应用越来越广泛。他具有体积小、灵度高、 重量轻、热惯性小、寿命长以及价格便宜等优点,最重要的是作为温度传感器的 热电阻的灵度非常高，这是其他测温传感器所不能比拟的。

使用热电阻 pt100 温度传感器利用其感温效应，热电阻随环境温度的变化而 变化，在电路图中将电阻值的变化转换成电压的变化，再将电压值作为输入信号 输入至 AD 转换器中进行模拟信号到数字信号的转换，其输出端接单片机，向单 片机内写入源程序，将被测温度在显示器上显示出来： 测量温度范围−50℃～110℃。

本题目使用铂热电阻 PT100，其阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的 100 即表示它在 0℃时阻值为 100 欧姆，在 100℃时它的阻值约为 138.5 欧姆。厂家 提供有 PT100 在各温度下电阻值值的分度表，在此可以近似取电阻变化率为

0.385Ω/℃。向 PT100 输入稳恒电流，再通过 A/D 转换后测 PT100 两端电压，即 得到 PT100 的电阻值，进而算出当前的温度值。

0.385Ω/℃的特性，计算出当前温度值。 测温系统如图 2 所示：

如图 2 所示，热电阻 RT 和 RA1，RB1 和 RC1，可以改变电阻 R2 组成一 个测温点桥，在温度为 20 度时，调节 R2 使点桥达到平衡。当温度升高时，热 电阻的阻值变大，电桥失去平衡，电桥输出不平衡的电压，经过滤波后，输入运 算放大器，进行放大处理。

pt100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的 100 即表 示它在 0℃时阻值为 100 欧姆，在 100℃时它的阻值约为138.5 欧姆。它的工业 原理：当 PT100 在 0℃的时候他的阻值为 100 欧姆，它的的阻值会随着温度上升 它的阻值是成匀速增涨的。

式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见 Pt100 在 常温 0~100℃之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100

（1+At），当温度变化 1 ℃，Pt100 阻值近似变化 0.39 欧。

LM324 系列器件带有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，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0V 或者 高到 32V 的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。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。每一 组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-” 为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个 信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端 的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相 位相同。如图 6 所示：

放大倍数 Av 也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为 R3。R4 的阻 值范围为几千欧姆到十几千欧姆。

ADC0804 是用 CMOS 集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率 8 位，转换时间 100μs，输入电压范围为 0～5V，增加某些外部电路后，输入模 拟电压可为 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的 输出可以直接连接在 CPU 数据总线上，无需附加逻辑接口电路。ADC0804 芯片 管脚如图 8 所示引脚名称及意义如下：

D7～D0：A/D 转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相 接。

AGND：模拟信号地。 DGND:数字信号地。 CLKIN:外电路提供时钟脉冲输入端。

CLKR:内部时钟发生器外接电阻端，与 CLKIN 端配合可由芯片自身产生时钟 脉冲，其频率 为 1.1/RC。

CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 转换器被选中， 可启动工作。

WR：写信号输入，接收微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低 电平有效， 当 CS、WR 同时为低电平时，启动转换。

RD:读信号输入，低电平有效，当 CS、RD 同时为低电平时，可读取转换输 出数据。

INTR：转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成 。 该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。

AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，俗称 单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非 易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由 于将多功能 8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种 高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式

P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入 口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。

P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。

P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行 存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的

低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时， 将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果 微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号 将不出现。

/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于 施加 12V 编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

本课程采用 MPX4-DCC 作为显示器。该显示器由四个八段数码管组成，如 图 10 所示，该显示器是共阴极显示器，A、B、C、D、E、F、DP 与 P0 口相连，

1、2、3、4 与 P0 口的 P0~P3 相连。所以，当显示器开始工作时，必须向 P0 口 写 0。通过控制数码显示管的位选，来实现显示温度的目的。

Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到 单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的 完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软 件 三 合 一 的 设 计 平 台 ， 其处 理 器 模 型 支 持 8051 、 HC11 、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等。

Proteus 软件是英国 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具软件（该 软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它 EDA 工具软件 的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围 器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教

在 PROTEUS 绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以 在 PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

PROTEUS 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行 过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示 实验难以达到的效果。

它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程 度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检 测、电路修改、软件调试、运行结果等。

课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于 PROTEUS 提供了 实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验 室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、 创造精神的平台

使用 Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多 媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作 能力。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作， 能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。

Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件 开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显 的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、链接器、库管理 和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境

KeilμVision2 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语 言软件开发系统，使用接近于传统 C 语言的语法来开发，与汇编相比，C 语言易 学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，可以在关 键的位置嵌入。Keil C51 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语 言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51 编译器的功能不断增强，使 你可以更加贴近 CPU 本身，及其它的衍生产品。C51 已被完全集成到μVision2

调节热电阻的“↓”和“↑”，观察显示器的示数找到环境温度与示数之间的 线性关系，不断调整程序使环境温度与示数相对应。

在这一环节，示数与温度本来就是呈线性的，寻找示数与温度之间的关系， 即找到示数与环境温度相差多少。在原理上，显示器上的实数是指经 AD 转换后 的电压值，并非环境温度，所以，示数与环境温度必相差一定的值，只要找到这 个值，并在程序中稍加改动，显示器上显示的数就可以看作是所测的环境温度了。

图22    环境温度 75℃，测量温度 74℃

由图 15—图 22 可知，本系统的最大误差为±2℃，由于本系统的测量范围 为-50℃—+110℃，所以，本系统的线性误差为±0.0125。

数字温度计是为了测温而设计开发的。在单片机技术与热电阻的巧妙结合 下，可以有效测出温度，并实时数字显示。

该系统虽然设计比较简单，但是对所学的知识应用的很多，对锻炼实际能力 有很大的帮助。在查找资料和设计的过程中，对热电阻传感器、基本的测控输入 通道、基本的信号调理电路有了比较深刻的认识。由于时间有限，并受 ADC0832 的精度限制，目前只能测量室内的基本温度，再加上 PT100 的线性只存在与理想 状况下，实际操作中会产生一定的误差，以至于不能达到更高的精度，有待提高。