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摘要为了实现现实生活中多种环境、物体温度检测,本文以AT89C51单片机为核心,设计一种温度检测仪表,并给出仪表的硬件结构框架与软件设计方案。同时本文采用了PT100铂热电阻做温度传感器,AD7810做模数转换,电路具有结构简单、精度高和价格低廉等特点,能够移植应用于智能仪器仪表中。
中图分类号:TN7文献标识码:A
1 传感器PT100铂热电阻的特性
PT100,又叫铂电阻,热电阻,是一种温度传感器,铂电阻温度系数为0.0039€祝妫?℃时电阻值为100,电阻变化率为0.3851/℃。 采用不锈钢外壳封装,内部填充导热材料和密封材料灌封而成,尺寸小巧,适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量,非常经济实用。
铂电阻温度传感器具有精度高、稳定性好的突出优点,特别是它的测量温度范围广,測量中低温区-200~400℃,在工业上如烤箱、色染等领域得到广泛应用,可用于各种标准温度计。标准型铂电阻按IEC751国际标准有三种类型,分别是TCR=0.003851,Pt100(R0=100)、Pt1000(R0=1000)。标准型铂电阻PT100有三根引出导线,为降低测量误差,三根引出导线的截面积和长度相同,并且在电路设计时采用不平衡电桥电路,将铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其中一根不同颜色的导线接到电桥的电源端,其余两根接到桥臂的另一端,若要进一步降低误差,可将一根接到相邻的桥臂上,通过电桥电路来抵消因导线电阻变化引起的测量误差,所以在精确度很高要求的应用场合一般都采用三线制接法。PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点,并且线性好,在0~100摄氏度间变化时,最大非线性误差小于0.5摄氏度。宽范围、高精度温度测量领域。如轴瓦,缸体,油管,水管,汽管,纺机,空调,热水器等狭小空间工业设备测温和控制。供热/制冷管道热量计量,中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。
2 AD7810模数转换芯片特点
AD7810是美国模拟器件公司(Analog Drvices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式,并带有内部时钟。它的外围接线极其简单,AD7810的转换时间为2s,采用标准SPl同步串行接口输出和单一电源(2.7V～5.5v)供电。在自动低功耗模式下,该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27W。因此特别适合于仪表使用电池供电的应用场合使用。
3 PT100铂热电阻配合AD7810模数转换芯片
3.1基本工作原理
利用PT100铂电阻的阻值随外部温度变化而变化的特点,将PT100铂电阻接入带2级固定放大倍数电路的电桥臂中,当外部温度变化,PT100铂电阻阻值改变,放大电路输出电压随之改变,从而把PT100铂电阻阻值转换成电压信号;再经过AD7810模数转换芯片转换成数字信号,传送给单片机系统读取;数字信号进入单片机系统,通过程序换算得到与温度对应的温度值并通过LED显示模块输出温度值。
3.2 硬件设计
硬件组成主要包括电桥电压放大电路、AD7810模数转换电路和AT89C51单片机系统三个组成部分。其中电桥电压放大电路是整个测温电路的核心电路,本部分电路的设计及调试是决定测温系统精确度的关键。这部分电路要处理的信号是电压信号,是由PT100随外界温度变化时引起PT100自身阻值变化,电路设计要求将由阻值变化转化为电压变化,为降低PT100的导线电阻误差,提高精确度,这里采用四臂电桥电路结构,四臂电桥能得到稳定的基准比较电压,再从PT100端引出比较电压,两点电压信号送至运算放大器的差分输入端,运算放大器设计成10倍放大器,如果经差分放大器放大的电压信号直接送至AD7810模数转换,此变化信号因为由运放直接驱动AD7810,运放输出会因直接接入负载产生放大误差,所以在10倍差分运算放大电路与AD7810间加入一级电压跟随器电路,因为电压跟随器是1倍放大器,并具有很高的输出阻抗,从而能有效隔离AD7810作为放大器负载引起的误差。PT100电压采样电路由三部分完成,虽然电路稍显复杂,但为整体测温系统工作的稳定性及精确度打下坚实的基础。AD7810数模转换电路及AT89C51单片机系统的设计,重点要设计电源稳压电路,本系统选用LM7805稳压模块,有良好的稳压效果,电路简洁。如果采用伺服稳压电路,除了电路复杂,还有伺服电路本身消耗功率相对采用LM7805模块大3倍左右,这样如果将本系统应用于便携测量仪表,充电电池续航时间将大为缩短。
3.3 PT100铂电阻及A/D转换
如果直接给PT100铂电阻供电,传送到数模转换电路的电压信号很小,造成转换数据误差大;因此要在PT100铂电阻到数模转换电路之间加入10倍的电压放大电路,并通过电压跟随器电路将电压信号传递给A/D数模转换电路,这样能得到较好的转换精度。单片机的 10 位 A/D 在满度量程下,最大显示为 1023 字,为了得到 PT100 传感器输出电压在显示 500 字时的单片机 A/D 转换输入电压,必须对传感器的原始输出电压进行放大,计算公式为:(500/1023 * Vcc)/传感器两端电压( mV/℃ ),(Vcc = 系统供电 = 5V),可以得到放大倍数为 10.466 。
3.4 AT89C51单片机应用系统(下转第118页)
(上接第116页)
图6程序流程图
由AT89C51单片机芯片、复位电路、振荡电路、显示及按键电路构成单片机应用系统,结合前面的AD7810 模数转换电路和PT100前置电压放大电路构成测温表的整体应用系统。软件设计主要由主程序、中断子程序、显示子程序3部分构成。本测温系统的核心部分是中断子程序,负责将AD7810转换出来的数字信号读取到单片机系统,并保存到内存中以供温度转换程序调用。AD7810每完成一次转换会产生一个高电平标志信号,通知单片机中断温度转换数据已经准备好,单片机的INT0接收到高电平标志信号便会立刻执行中断子程序,完成转换数据读取保存工作。为了提高读取正确率,主程序采用连续2次读取中断采集到温度数据进行比较,若两次值偏差较大则放弃保存,只有连续2次读取数值偏差小于0.5的结果才送去保存。由于PT100铂热电阻的阻值随温度的变化为非线性的,保存的数据送显示子程序前须进行线性拟合,拟合公式为T=2.469R+27.2。 显示程序不断的显示上一次保存的拟合数据,由于先前在做模数转换读取数据时进行纠错处理,避免了显示数据跳变扰动。
4 结语
在温度测量系统设计中,PT100铂热电阻被封装在金属棒中,这样使得本温度测量系统不但可以检测气体温度,还可以检测土壤、液体、种子等内的温度,大大提高了温度测量系统的适用范围,且采用PT100铂热电阻为温度采集元件,可有效地降低开发成本。A/D转换部分选用AD7810串行模数转换芯片,功耗低、精度高、速度快无需其他外围器件,即节省了元件又使设计简单化。软件部分采用C51编写便于移植,也方便嵌入到其他仪器仪表系统软件中。本温度测量系统电路设计具有简单、适用范围广和功耗低的特点。
参考文献
[1]李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2001.7.
[2]凌云.10位串行模数转换芯片AD7810的原理及应用.
中图分类号:TN7文献标识码:A
1 传感器PT100铂热电阻的特性
PT100,又叫铂电阻,热电阻,是一种温度传感器,铂电阻温度系数为0.0039€祝妫?℃时电阻值为100,电阻变化率为0.3851/℃。 采用不锈钢外壳封装,内部填充导热材料和密封材料灌封而成,尺寸小巧,适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量,非常经济实用。
铂电阻温度传感器具有精度高、稳定性好的突出优点,特别是它的测量温度范围广,測量中低温区-200~400℃,在工业上如烤箱、色染等领域得到广泛应用,可用于各种标准温度计。标准型铂电阻按IEC751国际标准有三种类型,分别是TCR=0.003851,Pt100(R0=100)、Pt1000(R0=1000)。标准型铂电阻PT100有三根引出导线,为降低测量误差,三根引出导线的截面积和长度相同,并且在电路设计时采用不平衡电桥电路,将铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其中一根不同颜色的导线接到电桥的电源端,其余两根接到桥臂的另一端,若要进一步降低误差,可将一根接到相邻的桥臂上,通过电桥电路来抵消因导线电阻变化引起的测量误差,所以在精确度很高要求的应用场合一般都采用三线制接法。PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点,并且线性好,在0~100摄氏度间变化时,最大非线性误差小于0.5摄氏度。宽范围、高精度温度测量领域。如轴瓦,缸体,油管,水管,汽管,纺机,空调,热水器等狭小空间工业设备测温和控制。供热/制冷管道热量计量,中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。
2 AD7810模数转换芯片特点
AD7810是美国模拟器件公司(Analog Drvices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式,并带有内部时钟。它的外围接线极其简单,AD7810的转换时间为2s,采用标准SPl同步串行接口输出和单一电源(2.7V～5.5v)供电。在自动低功耗模式下,该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27W。因此特别适合于仪表使用电池供电的应用场合使用。
3 PT100铂热电阻配合AD7810模数转换芯片
3.1基本工作原理
利用PT100铂电阻的阻值随外部温度变化而变化的特点,将PT100铂电阻接入带2级固定放大倍数电路的电桥臂中,当外部温度变化,PT100铂电阻阻值改变,放大电路输出电压随之改变,从而把PT100铂电阻阻值转换成电压信号;再经过AD7810模数转换芯片转换成数字信号,传送给单片机系统读取;数字信号进入单片机系统,通过程序换算得到与温度对应的温度值并通过LED显示模块输出温度值。
3.2 硬件设计
硬件组成主要包括电桥电压放大电路、AD7810模数转换电路和AT89C51单片机系统三个组成部分。其中电桥电压放大电路是整个测温电路的核心电路,本部分电路的设计及调试是决定测温系统精确度的关键。这部分电路要处理的信号是电压信号,是由PT100随外界温度变化时引起PT100自身阻值变化,电路设计要求将由阻值变化转化为电压变化,为降低PT100的导线电阻误差,提高精确度,这里采用四臂电桥电路结构,四臂电桥能得到稳定的基准比较电压,再从PT100端引出比较电压,两点电压信号送至运算放大器的差分输入端,运算放大器设计成10倍放大器,如果经差分放大器放大的电压信号直接送至AD7810模数转换,此变化信号因为由运放直接驱动AD7810,运放输出会因直接接入负载产生放大误差,所以在10倍差分运算放大电路与AD7810间加入一级电压跟随器电路,因为电压跟随器是1倍放大器,并具有很高的输出阻抗,从而能有效隔离AD7810作为放大器负载引起的误差。PT100电压采样电路由三部分完成,虽然电路稍显复杂,但为整体测温系统工作的稳定性及精确度打下坚实的基础。AD7810数模转换电路及AT89C51单片机系统的设计,重点要设计电源稳压电路,本系统选用LM7805稳压模块,有良好的稳压效果,电路简洁。如果采用伺服稳压电路,除了电路复杂,还有伺服电路本身消耗功率相对采用LM7805模块大3倍左右,这样如果将本系统应用于便携测量仪表,充电电池续航时间将大为缩短。
3.3 PT100铂电阻及A/D转换
如果直接给PT100铂电阻供电,传送到数模转换电路的电压信号很小,造成转换数据误差大;因此要在PT100铂电阻到数模转换电路之间加入10倍的电压放大电路,并通过电压跟随器电路将电压信号传递给A/D数模转换电路,这样能得到较好的转换精度。单片机的 10 位 A/D 在满度量程下,最大显示为 1023 字,为了得到 PT100 传感器输出电压在显示 500 字时的单片机 A/D 转换输入电压,必须对传感器的原始输出电压进行放大,计算公式为:(500/1023 * Vcc)/传感器两端电压( mV/℃ ),(Vcc = 系统供电 = 5V),可以得到放大倍数为 10.466 。
3.4 AT89C51单片机应用系统(下转第118页)
(上接第116页)
图6程序流程图
由AT89C51单片机芯片、复位电路、振荡电路、显示及按键电路构成单片机应用系统,结合前面的AD7810 模数转换电路和PT100前置电压放大电路构成测温表的整体应用系统。软件设计主要由主程序、中断子程序、显示子程序3部分构成。本测温系统的核心部分是中断子程序,负责将AD7810转换出来的数字信号读取到单片机系统,并保存到内存中以供温度转换程序调用。AD7810每完成一次转换会产生一个高电平标志信号,通知单片机中断温度转换数据已经准备好,单片机的INT0接收到高电平标志信号便会立刻执行中断子程序,完成转换数据读取保存工作。为了提高读取正确率,主程序采用连续2次读取中断采集到温度数据进行比较,若两次值偏差较大则放弃保存,只有连续2次读取数值偏差小于0.5的结果才送去保存。由于PT100铂热电阻的阻值随温度的变化为非线性的,保存的数据送显示子程序前须进行线性拟合,拟合公式为T=2.469R+27.2。 显示程序不断的显示上一次保存的拟合数据,由于先前在做模数转换读取数据时进行纠错处理,避免了显示数据跳变扰动。
4 结语
在温度测量系统设计中,PT100铂热电阻被封装在金属棒中,这样使得本温度测量系统不但可以检测气体温度,还可以检测土壤、液体、种子等内的温度,大大提高了温度测量系统的适用范围,且采用PT100铂热电阻为温度采集元件,可有效地降低开发成本。A/D转换部分选用AD7810串行模数转换芯片,功耗低、精度高、速度快无需其他外围器件,即节省了元件又使设计简单化。软件部分采用C51编写便于移植,也方便嵌入到其他仪器仪表系统软件中。本温度测量系统电路设计具有简单、适用范围广和功耗低的特点。
参考文献
[1]李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2001.7.
[2]凌云.10位串行模数转换芯片AD7810的原理及应用.