PT100鉑熱電阻溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要:溫度測量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,涉及到各行各業(yè)的各個(gè)方面,在各種不同的領(lǐng)域中都占有重要的位置。從降低開發(fā)成本擴(kuò)大適用范圍,、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,、可靠性出發(fā),設(shè)計(jì)-種以PT100鉑熱電阻為溫度信號(hào)采集元件、EW78E58單片機(jī)為控制核心,、0CMI4x8C液晶顯示器為顯示器件的溫度測量系統(tǒng),。該測量系統(tǒng)不但可以測量室內(nèi)的溫度,還以測量液體、種子等內(nèi)的溫度,在實(shí)際應(yīng)用中,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,電路設(shè)計(jì)簡單實(shí)用,。
　　無論在工業(yè),、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究,、國防和人們?nèi)粘Ｉ?的各個(gè)方面,溫度測量和控制都是極為重要的課題",。溫度測量系統(tǒng)在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛,根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同,溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有所不同,有采用集成芯片的,也有采用恒流源器件和恒壓源器件的2。本系統(tǒng)選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號(hào)采集元件,來進(jìn)行溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì),。
1基本工作原理
　　PT100鉑熱電阻的阻值隨著溫度的變化而變化,，利用這一特點(diǎn)來采集溫度信號(hào),將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào);再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由單片機(jī)系統(tǒng)讀取;單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理,并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。
2硬件設(shè)計(jì)
　　硬件組成主要包括恒流源電路,、電壓放大,、A/D轉(zhuǎn)換接口電路、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個(gè)組成部分,。
2.1恒流源電路
　　恒流源電路如圖1所示。其中芯片OP07為運(yùn)算放大器,它和5個(gè)電阻組成恒流源電路,在VIN+處輸出1mA的工作電流,。圖中DGND=5V,VMC=0V,，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別是NET1,NET2,NET3,NET4。設(shè)流過R1o的電流為Ia流過R114的電流為6,單位為mA,方向都向右,。
則根據(jù)運(yùn)放的虛斷和虛短,則有方程:
 
2.2電壓放大及A/D轉(zhuǎn)換接口電路
　　PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小,，如果直接與A/D轉(zhuǎn)換器相連接,則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)偏差較大;所以本設(shè)計(jì)中.將PT100鉑熱電阻-*端輸出的電壓放大10倍后與電壓跟隨器相連接,再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,這樣就能得到較好的轉(zhuǎn)換效果,如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準(zhǔn)芯片MC1403組成放大電路,VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值;WIN-為基準(zhǔn)電壓源MC1403輸出的電壓值;VoUT為放大后的輸出電壓值,。計(jì)算公式為:VOUT=GX((VIN+)-(VIN-)),其中G的大小由電阻Rz2o來決定,G=1+501Ω/R120,。芯片OPA277與外圍電阻組成電壓跟隨器。
 
　　選用雙積分型3(1/2)位的MC14433芯片A/D轉(zhuǎn)換器(相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)),MC14433采用動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式,即千,、百,、十、個(gè)位BCD碼輪流地在Q0~Q4端輸出,同時(shí)在DS1~DS4端出現(xiàn)同步字位選通信號(hào),。如圖3所示,。
　　MC1403集成精密+2.5V電壓源經(jīng)電位器分壓后作為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。MC14433的DU端與EOC端相連,以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式,每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器,。EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號(hào),。單片機(jī)在讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí),可以采用中斷方式或查詢方式。為使單片機(jī)能忙于其他任務(wù),本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用中斷方式,。DU端與EOC相連后經(jīng)光耦連至單片機(jī)的INT1端,。
 
　　在MC14433.上電后,即對(duì)外部模擬輸入電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,由于EOC與DU端相連,每次轉(zhuǎn)換完畢都有相應(yīng)的BCD碼及相應(yīng)的選通信號(hào)出現(xiàn)在Q0~Q4和DS1~DS4上。當(dāng)單片機(jī)開放中斷,允許INT1中斷申請(qǐng),并置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式,在執(zhí)行中斷程序后,每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),都將把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入片內(nèi)RAM中,。
　　電壓信號(hào)經(jīng)過MC14433A/D轉(zhuǎn)換后,再經(jīng)光耦隔離電路傳送給單片機(jī),，單片機(jī)處理后由液晶顯示器輸出溫度值。
2.3光耦隔離電路
　　為使輸入信號(hào)準(zhǔn)確無誤,在I/O口擴(kuò)展芯片8255與A/D轉(zhuǎn)換部分采用光耦進(jìn)行隔離,。A/D轉(zhuǎn)換作為模擬量輸入部分,采用獨(dú)立模擬電源和模擬地,。單片機(jī)及I/O口擴(kuò)展芯片8255作為數(shù)字部分采用獨(dú)立數(shù)字電源和數(shù)字地,減少外部輸入對(duì)單片機(jī)的影響。Q0~Q4和DSI~DS4用2片TLP521-4進(jìn)行隔離后連接至擴(kuò)展芯片8255C口上,電路如圖4所示,。
2.4單片機(jī)控制與液晶顯示接口電路
　　本設(shè)計(jì)選用的是128X64點(diǎn)陣的OCMJ4X8C中文液晶圖形顯示模塊,。C系列中文模塊可以顯示字母、數(shù)字符號(hào),、中文字型及圖形,具有繪圖及文字畫面混合顯示功能,與傳統(tǒng)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比,單片機(jī)硬件接口電路以及軟件編程比較簡單,內(nèi)置2Mb中文字型ROM(CGROM)總共提供8192個(gè)中文字型,，可節(jié)省大量單片機(jī)設(shè)計(jì)的ROM空間,可更多地顯示漢字字符的數(shù)量,更加發(fā)揮了液晶顯示技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用6]。OCMJ4X8C模塊非常適用于顯示漢字信息量較大的智能儀器儀表系統(tǒng)及家用電器,?？刹捎?位并列接口傳輸訊號(hào)及串行接口與串行傳輸資料2種資料傳輸方式”。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是并列傳輸方式。單片機(jī)控制與液晶顯示接口電路如圖5所示(J91和J11用于連接液晶顯示器),。
 
3軟件設(shè)計(jì)及程序流程圖
　　軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序,、INT0外部中斷子程序、液晶顯示子程序,。主程序完成對(duì)中斷的初始化,、等待外部中斷的查詢結(jié)果、調(diào)用顯示子程序,。INT0外部子程序完成對(duì)溫度測量數(shù)據(jù)的讀取,。顯示子程序完成液晶顯示器的初始化及顯示溫度值'1。程序流程圖如圖6所示,。
 
　　在單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的BCD碼時(shí),為了避免讀取不正確數(shù)值,在軟件編程時(shí)采用對(duì)數(shù)據(jù)多次采樣的方法,即在一定的時(shí)間內(nèi),連續(xù)讀取BCD碼,全部為一樣的數(shù)值時(shí)才作為正確的數(shù)值接收,否則視為不正確數(shù)值而被忽略,，這樣可以有效地保障在顯示器上輸出的溫度值連續(xù)變化,而不發(fā)生干擾性的跳動(dòng)。由于PT100鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的,所以在軟件編程時(shí)進(jìn)行了線性擬合,阻值(R)與溫度(T)的關(guān)系式為T=2.469R+27.2,其中電阻R的單位是9;T的單位是K,。
4結(jié)語
　　在溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,PT100鉑熱電阻被密封在金屬棒中,這樣使得本溫度測量系統(tǒng)不但可以檢測室內(nèi)的氣體溫度,，還可以檢測土壤、液體,、種子等內(nèi)的溫度,大大提高了溫度測量系統(tǒng)的適用范圍,且采用PT100鉑熱電阻為溫度采集元件,可有效地降低開發(fā)成本,。而且在設(shè)計(jì)中所采用的MCI4433A/D轉(zhuǎn)換器,雖然轉(zhuǎn)換速度慢,但具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高,在不要求高速轉(zhuǎn)換的溫度控制系統(tǒng)中,則被廣泛采用,。AD轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)控制系統(tǒng)完全采用光耦進(jìn)行隔離,在降低干擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響方面起到重要的作用,。另外在設(shè)計(jì)中所采用的OCMI4×8C液晶顯示器，其與單片機(jī)硬件連接相當(dāng)簡單,無需其他外圍器件,即節(jié)省了元件又使設(shè)計(jì)簡單化,。本溫度測量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡單方便,、實(shí)用性好、電路工作穩(wěn)定,、可靠性高,。