智能温度测试仪设计仪器仪表.doc

1、 目录1 选题意义和国内外现状. 31.1智能温度计的选题意义. 31.2 国内外测温现状. 32 设计方案. 43 系统硬件设计. 63.1 A/D转换模块设计. 73.2 显示模块设计.93.3 键盘模块设计. 103.4 状态指示与接口模块设计. 103.5 硬件电路. 114 软件设计. . 135 实验测试方法. 186 设计总结. 197 参考文献. 201、选题意义和国内外现状1.1智能温度计的选题意义本课程是电子信息工程技术专业的专业基本能力训练课程，其目的是通过本课程设计，使学生掌握智能仪器的一般设计方法，熟悉系统硬件和软件的一般开发环境和开发流程，为设计和开发智能仪器打下坚

2、实的基础。培养学生基于单片机应用系统的分析和设计能力和专业知识综合应用能力，同时提高学生分析问题和解决问题的能力以及实际动手能力，为日后工作奠定良好的基础。温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。现在所使用的温度计通常都是精度为1和0.1的水银、煤油或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，其

3、输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己的设计联系起来，构成最优系统。1.2 国内外测温现状温度是一个十分重要的热工参量。从微观上说，它反映物体分子运动平均动能的大小，而宏观上则

4、表示的体的冷热程度。在各种热工实验中几乎都离不开温度，所以，温度测量是最重要的热工测量。用来量度物体温度高低的标尺称为温标，如热力学温标、国际实用温标 、摄氏温标、华氏温标等各种测温方法大都是利用物体的某些物理化学性质（如物体的膨胀率、包阻率、热电势、辐射强度和颜色等)与温度具有定关系的原理。当温度不同时， 上述各参量中的个或几个随之发生变化，测出这些参量的变化。就可间接地知道被测物体的温度。测温方法可为接触式与非接触式两大类。用接触式方法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。当用光学高温计、辐射高温汁、红外探测器测温时，感温元件不必

5、与被测介质相接触，故称为非接触式测温方法。接触式测温简单、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要定时间，因而会产生测温的滞后现象。此外，感温元件往往会破坏被测对象的温度场，并有可能受到被测介质的腐蚀。非接触式测温是通过热辐射来测量温度的，感温速度一般比较快，多用于测量高温， 但由于受物体的发射率、热辐射传递空间的距离、烟尘和水蒸气的影响，故测量误差较大。正在某些行业中对温湿度的要求较高,特别是在电力系统中,由于温度过高、过低引起的元件失效或由于湿度过高而引起的爬电、闪络事故时有发生。为了避免这些故障,需要在电力设备柜体内安装控温、除湿设备。采用单片机开发的的温湿度控制仪功能齐全、操作简便,特别

6、适用于对温湿度控制要求较高的继电保护柜、仪表箱、计量柜等设备。主要技术指标如下。 温度指示:-30120,精度1; 湿度指示:（0100）RH,精度50RH; 加热器启动条件:温度显示值低温加热下限T1_L时,或湿度显示值过湿加热整定值上限H_H时; 加热器退出条件:温度显示值低温加热上限T1_H与湿度显示值过湿加热整定值。4 温度测量技术近年来的发展重点传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点 , 在未来温度测量领域中 ,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展 , 其应用范围更加拓展。2、设计方案 本论文叙述了应用单片机AT89C51构成的智能温度

7、计主要的功能、硬件的组成和软件的设计。该系统的功能是通过温度传感器对温度进行采集，然后通过A/D转换器MC14433进行模数转换，传给单片机进行处理，从而实现温度的实时显示。整个系统结构紧凑、简单可靠、操作灵活、功能强、性能价格比高，较好地满足了现代农业生产和科研的需要。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。

8、图1是智能温度计的基本组成方框。主要由温度传感器，放大器，A/D转换器，单片机控制，LED显示器，电源等组成。温度传感器是把温度转换成电压（或电流）的器件。不同的温度传感器，输出电压的范围也差别很大。放大器的主要功能是把微弱的温度电压信号放大到（02）伏或（05）伏的范围内，以便进行A/D转换。一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面将采集到的数字温度电压值，经过计算处理，得到相应的温度值，送到LED显示器以数字形式显示测量的温度。LED显示器用于显示测量温度的结果。温敏二极管信号调理电路A/D转换器单片机工作状态指示打印接口74164键盘LED显示图1 系统框图由上图可知

9、系统硬件基本上由传感器信号调理模块，A/D模块，键盘模块，显示模块，工作状态指示模块，以及接口模块组成。而软件设计是紧紧围绕系统的硬件结构展开的，软件主要是配合控制硬件完成预期的设计要求，软件的基本模块也是针对上述硬件结构进行相应操作的。3、 系统硬件设计测温传感器选用热敏二极管传感器。这种传感器是利用半导体的温度特性来实现对温度的检测功能。硅二极管的结电压在温度每升高1时，电压下降2mV，它属于PN结型温度传感器，它在0100温度范围内表现出良好的线性，尺寸小，热时间常数为0.22s，灵敏度高，测温范围是-50150。信号调理电路中包括电桥和放大部分。将测温二极管放入电桥的一个桥臂，可直接输

10、出传感器相对0时的电压输出，再将桥路输出送给AD620的差分输入端，进行50倍的放大，在经过OP07组成的100倍的反相放大电路，使得传感器感受0100的温度时，信号调理电路对应输出02.44V的电压值，这个电压值正好是AD574的010V单端输入电压的范围。图2 传感器调理电路模块图3.1 A/D转换模块设计A/D转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件，已做成集成芯片。由于实现这种转换的原理和电路结构及工艺技术有所不同，因而出现各种各样的d/a转换器。目前，国外市场已有上百种产品出售，他们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色。衡量一个A/D转换器的性能的主要参数有： (1

11、) 分辨率 是指A/D转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高。 (2) 转换时间 指数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。电流型d/a转换较快，一般在几ns到几百ns之间。电压型d/a转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。 (3) 精度 指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。 (4) 线性度 当数字量变化时，A/D转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。理想的d/a转换器是线性的，但是实际上是有误差的，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。AD574是12 位逐次逼近型的 A/D 转换芯片。转换时间为 25

12、35s。片内有数据输出寄存器，并有三态输出的控制逻辑。其运行方式灵活，可进行 12 位转换，也可作 8 位转换；转换结果可直接 12 位输出，也可先输出高 8 位，后输出低 4 位。可直接与 8 位或 16 位的 CPU 接口。输入可设置为单极性，也可设成双极性。片内有时钟电路，无需外部时钟。图3 A/D转换模块图图3是AD574与单片机接口电路以，它分两次将单极性电压的12位转换结果送给单片机。具体先由单片机发出控制信号，使A/D转换器启动转换，等待转换结束，单片机再分两次将转换数据读到内存中。按上图接法AD574是单极性输入，接成0+10V的接法，按上图向FF7C写数据，就启动AD574转

13、换器开始转换，检测P1.0口即可查看AD574是否转换结束，从FF7D端口即可读出转换结果的高八位，从FF7F端口中即可读出转换结果的低四位。3.2 显示模块设计利用串口和74164驱动LED显示器工作，采用静态显示方式。这种方式可避免采用并行I/O接口占用资源较多的缺点。采用共阳极数码管，因而各位的COM接口接+5V电源，若要显示某字段，则相应的移位寄存器74164输出必须为低电平，由于74164在低电平输出时，允许通过的电流为8mA左右，故不用再加驱动电路了，只需向串口发送要显示三位数的显示控制代码（段码），即可在LED显示器上显示出所要的字符，只需将各位的小数点控制位接低电平，使其显示，

14、其他位的小数点控制位均接高电平即可，注意加限流电阻。如图4所示。图4 显示模块原理图3.3 键盘模块设计因为本设计中需要的按键不多，故设计采用独立式按键，分别占用P1.4，P1.5，P1.6和P1.7口。它们分别实现选择是正常运行还是设置模式的功能键，温度上限十位的设置键，温度上限个位的设置键以及温度上限的十分位的设置键。键盘的防抖动可有软件来实现，每个引脚上都引入上拉电阻。原理如图5所示。图5 键盘模块原理图3.4 状态指示与接口模块设计当测量温度达到了上限温度时，P2.0口输出高电平，驱动报警二极管发光，指示温度已经超过上限值，当温度下降到设定值以下是，P2.0变成低电平，报警解除。当按下

15、打印摁键时，单片机响应外部中断0，进而要打印的数码发送至打印机的数据口，进行打印。打印时，需要先将要打印的字符转换为其ASCII码，将此ASCII送入打印机数据口进行打印。需要注意要将小数点也打印出来，打印完十位和个位再将小数点打印出来，再把十分位进行打印。而扩展接口采用简单的三线式接口，一线为接收数据，一线为发送数据，还有一线为查询状态。由P2.6控制其导通，还是高阻的状态，原理如图6和7所示。图6 打印接口原理图图7 扩展口及工作状态原理图3.5 硬件电路将上述功能模块合理有序连接即构成整体图，电路图参见图8。图8 硬件电路原理图4.软件设计主程序流程图如下图9开始在LED上显示8和全关做

16、自检初始值设上限为50.0显示缓存清零打开外部中断 设置触发方式设置定时器0的工作方式代开外部中断0和定时器T1中断等待外部中断0和定时器T1中断图9 主程序流程图程序清单：19Org 0000H ；主程序入口地址KS: LJMP START ORG 0003H ；外部中断0服务程序入口地址LJMP INT_0 ORG 000BH ；定时器0中断服务程序入口地址LJMP INT_T0 ORG 100H TAB1: ；字符段码表格DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H,82H,0F8H,80H,90H,88H DB 83H, 0C6H, 0A1H, 86H, 0FFH

17、 START: MOV SP,#60H CLR EAMOV R0,#3EH ；运行/设置状态寄存器清零MOV R0,#0H DEC R0 MOV R0,#0H DEC R0 MOV R0,#0H MOV R0,#20H ；20H-22H放初始温度设置上限值50.0MOV R,#05H INC R0 MOV R0,#0H INC R0 MOV R0,#00H SETB P1.4 ；设置P1.4P1.7为输入端口SETB P1.5 SETB P1.6 SETB P1.7 MOV R2,#03H ；在LED上显示888DL0: MOV A,#80H ；把字符“8”的段码送给累加器AMOV SBUF,

18、A ；累加器A循环三次把段码发送到串口，显示DL1: JNB TI,DL1 CLR TI DJNZ R2 ,DLO LCALL DELAY ；延时MOV R2,#03H ；关断所有LEDDL0: MOV A,#80H ；把关断的段码送给累加器AMOV SBUF,A ；累加器A循环三次把段码发送到串口，关断LEDDL1: JNB TI,DL1 CLR TI DJNZ R2 ,DLO ；以上完成了自检MOV THOD,#21H ；设置定时器工作方式MOV TL0,#77H ；设置定时器初值MOV THO,#OECH SETB TRO ；开定时器中断SETB ETO SETB IT ；开外部中断0S

19、ETB EX0 SETB EA ；开总中断STA0: LJMP STA0 ；等待中断;*STA2 : LCALL COMP LCALL CL0 LCALL ZH0 STA3: LCALL SET0 JNB F0,STA4 LCALL CHENG STA4 : RET;*CHENG：JB P1.7,CHE1 LCALL DELAY2 JB P1.7,CHE1 MOV RO,#22H CJNE R0,#09H,CHE4MOV R0,#0HAJMP CHE5 CHE1: JB P1.6,CH2 LCALL DELAY2 JB P1.6,CHE2 MOV R0,#21H CJNE R0,#09,CHE

20、4MOV RO,#OH AJMP CHE5CHE2: JB P1.5,CHE5 LCALL DELAY2 JB P1.5,CHE5 MOV R0,#20H CJNE R0,#09H, CHE4 MOV R0,#0H AJMP CHE5CHE4 : INC RO AJMP CHE5 CHE5: MOV R0,#3DH MOV R0,#55H MOV R0,#3EH MOV R0,#0H RET ;*SET0 : JNB P1.4, SET1 LCALL DELAY0 JNB P1.4,SET1 SETB F0 RET SET1: CLR F0 MOV R0,#3DH MOV R0,#0H MOV

21、 R0,#3EH MOV R0,#55H RET;*INT_T0: CLR EA ；关中断 CLR TR0 MOV TL0, #77H ；重置定时器初值MOV TH0, #0E0H MOV R0, #3DH CJNE R0, 55H, INT_T01 LCALL DISP2 MOV R6, #20H LCALL DELAY LCALL STA3 LJMP INT_T04INT_T01: MOV R0, #3EH LCALL DISP1 MOV R6, #40H LCALL DELAY LJMP INT_T03INT_T02 : LCALL DISP0 MOV R6, #20H LCALL DE

22、LAY CJNE R2, #3CH, INT_T04 MOV R0, #3CH MOV R0, #55H INT_T03 : LCALL STA2 INT_T04 : SETB TR0 SETB ET0 SETB EA RETI;*CL0: MOV R0, #40H CLR A CLR C MOV R0, AINC R0 MOV R0, AMOV R0, #40H CLR P3.7 CLR P3.6 MOV DPTR, #FF7CH MOV A, #0H MOVX DPTR，A HD: JB P1.0, HD MOV DPTR, #0FF7DH MOVX A, DPTR MOV R7, A M

23、OV DPTR, #0FF7FH MOVX A, DPTR ANL A, #0F0H MOV R6, A SWAP A MOV R6, A MOV A, R7 SWAP A MOV R7, A ANL A, #F0H ANL A, R6 ;低八位 MOV R6, A MOV A, R7 ANL A, #0FH ;高八位（最高四位为0） MOV R7, AMOV A, R6MOV R0，40HMOV A, R6MOV R0, AINC R0 MOV A, R7MOV R0, ACLR C LCALL BIJIAOCL3: JB F1 CL4 CLR P2.0 AJMP CL2 CL4: SETB

24、 P2.0 AJMP CL2CL2: RET BIJIAO:CLR C CLR F1 MOV A,5BH SUBB A,41H JC BIG1 CLR C MOV A,5AH SUBB A,40H JC BIG1 CLR F1 RETBIG1: SET F1 RET;*COMP : MOV R0,#20H MOV A ,R0 MOV B ,#64H MUL AB MOV RO,#5AH MOV R0,A INC R0 MOV R0,B MOV A,21H MOV B,#0AH MUL AB CLR C ADD A,5AH MOV 5AH,A MOV A, #0H ADDC A,5BH MOV

25、5BH,A CLR C MOV A,22H ADD A,5AH MOV 5AH,A MOV A, #0H ADDC A,5BH MOV 5BH,AZH0: CLR A MOV R7,40H MOV R6,41HMOV R3,A MOV R4,A MOV R5,A MOV R2,#10H HB3： MOV A,R7 RLC A MOV R7,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R5 ADDC A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,R3 MOV R3,A DJNZ R2,H

26、B3 MOV A,R5ANL A,#0FHMOV 6AH,AMOV A,R5ANL A,#F0HSWAP AMOV 6BH,AMOV A,R4ANL A,#0FHMOV 6CH,ARET;*DISP1:SETB RS0 PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV R2,#03H MOV R0,#6AH;(若显示设置值则上一条语句改为MOV R0,#22H)DL0: MOV A, R0 MOV DPTR, #TAB1 MOVC A, A +DPTR MOV SBUF,A DL1: JNB TI,DLI CLR TI INC RO ;(若显示设置值则此处改为DEC R0) DJN

27、Z R2 ,DLO CLR RS0 POP DPL POP DPH POP ACC RET;*INT_0： CLR EX0 MOV DPTR ,#7FFFH LOOP:MOVX A, DPTR JB ACC.7, LOOP MOV R1，#60H MOV A， R1 ADD A， #30H MOVX DPTR, A INC R1 MOV A， R1 ADD A， #30H MOVX DPTR, A INC R1 MOV A， #27H MOVX DPTR, A MOV A， R1 ADD A， #30H MOVX DPTR, A SETB EX0 RETI;*DISP2:SETB RS0 PU

28、SH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV R2,#03H MOV R0,#22H;DL0: MOV A, R0 MOV DPTR, #TAB1 MOVC A, A +DPTR MOV SBUF,A DL1: JNB TI,DLI CLR TI DEC RO DJNZ R2 ,DLO CLR RS0 POP DPL POP DPH POP ACC RET;*DELAY0 : MOV R7,#80H DJNZ R7, $ RET DELAY2:MOV R6,#5 0H DELAY20:LCALL DELAY0 DJNZ R6,DELAY20 RET DELAY: PUSH 06H

29、DELAY6 : PUSH 06H DELAY5 : PUSH 06H DELAY4: DJNZ R6,DELAY4 POP 06H DJNZ R6,DELAY5 P0P 06H DJNZ R6,DELAY6 POP 06H DJNZ R6 , DELAY RETEND5、实验测试方法一般而言，测量误差很大程度来源于测量一次元件。对于电子仪表而言，就是传感器，如果传感器本身不能提供高准确度的信号，后续电路准确度无论有多高，整个测量仪表的性能也不会太好。 铂电阻温度传感器是利用热阻效应而设计的，通过电阻值变化来测量温度。设计中采用一等铂电阻，其分辨率为0.001，能够满足设计要求。铂电阻测量温湿

30、度电路中，还有三个重要环节影响到测量准确度。 (1) 恒流源 恒流源为铂电阻供电，使电阻信号转换为电压信号，是完成数字化测量的一个重要环节。如果恒流源不能提供一个准确可靠的恒定电流，其对测量准确度的影响是可想而知的经多次测量发现其偏差比较稳定，通过软件可对其修正。 。(2)模数转换器（ADC） ADC扮演着将模拟量化为数字量的重要角色，ADC对模拟量进行量化编码的过程中必然有误差的产生。在ADC的选择上一定要满足设计精度要求。(3) 计算方法 在温湿度计量领域，能够准确反映温湿度的数学模型至今未能找到，国际相关组织在大量实验的基础上提出相应的经验公式供参考，其中必有一定误差。设计中采用权威计算

31、公式计算温湿度，使计算误差减少到最小。 另外，电子系统中电子电路各个部分也会为测量仪表整体的准确度带来影响，需要通过大量实验寻找误差产生原因，采取措施，减小影响。(4) 温度的补偿补偿导线的作用是来延伸热电偶的冷端,与显示仪表联接构成测温系统.采用补偿导线,目的是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内,由于操作室的温度往往高于0度,而且也不恒定的,这时热电偶产生的热电偶电势必然会随冷端温度变送而变化。因此，在应用热电偶时只有把冷端温度保持为0度，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法。 1、电桥补偿法：电桥补偿法

32、是目前实际应用中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的热电势来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化，经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，于是实现的自动补偿。2、冷端恒温法：这是一种最直接的冷端温度处理方法，把热电偶冷端，也就是补偿导线接二次仪表的一端放入恒温装置中，保持冷端温度为0度，所以称之为：冰浴法“这种方法多用于实验室中。 3、计算修正法：当用补偿导线把热电偶的冷端延伸到t0处，只要t0值已知，并测得热电偶回路的热电势，就可以通过查表的方法来计算出被测温度t，这种方法主要用于临时测温。6、设计总结本设计是为期一周的课程设计，所研制的智能温度测量

33、仪是单片机控制的智能化仪表，它的主要特点如下:(1) 该仪表适用于-55+150温度范围的测量可以进行温度的实时显示。(2) 该仪表选用了集成温度传感器作为测温元件，该元件体积小，精度高重要的是它的价格低廉。这样该仪表的成本就低，可以大规模生产。(3) 该仪器可以进行温度的实时显示还有时间显示及报警功能并且使用方便。(4) 元器件经仔细挑选，抗干扰能力强。本设计存在的不足之处如下:本仪表只能进行一路测量，在需要进行多路测量时受到限制，因此应进一步完善以能进行多路测量。该仪表没有打印测量温度值可以在原有硬件电路上进行扩展，实现更多的功能。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中。在此还要感谢庄严老师的指导，让我认识到实践的重要性，提高了我的动手能力，这就是我在这次课程设计中的最大收获。7、参考文献 石晓晶 智能仪器设计讲义，南京: 南京理工大学机械学院， 2009 石晓晶 智能仪器设计实验，南京: 南京理工大学机械学院， 2009 张迎新 单片机初级教程，北京: 北京航空航天大学出版社， 2006 周杏鹏 仇国富 现代检测技术，北京: 高等教育出版社， 2003 朱蕴璞 孔德仁 传感器原理及应用，北京: 国防工业出版社， 2005 周 严 测控系统电子技术，