基于MCS51的智能温度巡检仪的设计.doc

基于MCS-51的智能温度巡检仪的设计 摘要：本文介绍了铂热电阻Pt100的特性和采用Pt100测量温度的一般原理，采用两片AT89S52单片机协同工作，实现AD转换、键盘扫描、LCD显示、及开关量控制输出、串口通信等功能，完成16路温度的巡回检测和超限报警。上位机采用Visual Basic高级语言设计友好的可视化人机界面，将其所接收的信号以表格形式显示出巡检对象的温度状况。 关键字： Pt100 ；温度测量 ；单片机 1引言 在工业生产过程中，温度一直都是一个很重要的物理参数，温度的检测和控制直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到了人们的普遍重视。随着传感器技术和电子测量技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业现场，新型的电子测温仪器不仅操作简单，而且精度比传统仪器有很大提高。目前在工业生产现场使用最广泛的温度传感器主要有热电偶和热电阻，例如铂热电阻Pt100就是使用最广泛的传感器之一。本文介绍的就是采用PT100设计的16路温度巡回检测仪，由两片AT89S52单片机协同工作完成。 2 Pt100的特性 铂电阻是用很细的铂丝(Ф0.03～0.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。铂电阻在中温(-200～650℃)范围内得到广泛应用。目前市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻，如Pt100、Pt500、Pt1000等。它的电阻—温度关系的线性度非常好，如图1所示是其电阻—温度关系曲线，在-200～650℃温度范围内线性度已经非常接近直线。 由于铂电阻的测量精度、测量范围、线性度等特性都非常好，在工业生产中应用最广，市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻，如Pt100、Pt500、Pt1000等。本系统采用的是Pt100，它的电阻—温度关系的线性度非常好，如图1所示是其电阻—温度关系曲线，在-200～650℃温度范围内线性度已经非常接近直线。 图1 Pt100的电阻—温度关系曲线 铂电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示： 在0～650℃范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2)………………………（1） 在-190～0℃范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)…………（2） 式中A、B、C为常数， A=3.96847×10-3； B=-5.847×10-7； C=-4.22×10-12； Rt为温度为t时的电阻值；R0为温度为0℃时的电阻值，对于Pt100这种型号的铂热电阻，R0就等于100Ω，即环境温度等于0度的时候，Pt100的阻值就是100Ω。 当温度变化的时候，通过以上电阻-温度表达式计算出环境的温度。但由于该表达式相对来说比较复杂，若用单片机处理这相的计算过程，将会占用大量的资源，程序的编写上也相当复杂，所以一般采用先查表再插值的方法。 3 Pt100测温原理 Pt100是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。采用Pt100测量温度一般有两种方案： 1.设计一个恒流源通过Pt100热电阻，通过检测Pt100上电压的变化来换算出温度； 2.采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致，如图2所示。本文采用恒流源做为信号获取电路的测温方案，恒流源通过Pt100热电阻，温度变化引起Pt100电阻值的变化，从引起电压的变化，放大后经AD采用后，送由单片机处理，换算出相应温度。为了达到高精度、宽量程的测温要求，选用的是AD转换芯片是12位串行AD芯片MAX1270。 图2 Pt100测温原理 4系统结构与实现方法 根据智能仪器的基本设计思想，系统采用模块化设计，根据仪器的功能要求和技术指标，遵循自上而下，由大到小，由粗到细的思想，按照仪器的功能层次，把硬件和软件分成若干个功能模块，分别进行设计和调试；然后把它们连接起来，进行总调。本智能温度巡检仪的结构框图如图3所示，主要由四大部分： 图3 智能温度巡检仪的原理框图 4.1 恒流源的设计 由于温度信号是由恒流源通过铂热电阻Pt100，通过检测Pt100上的电压变化量而获得的，所以设计一个稳定的恒流源尤为重要。 如图4所示，是一个由两个三极管和一个运算放大器构成的恒流源电路，其中Rc是100Ω的标准精密电阻。NPN型三极管9013的Vce相当于一个PN结的压降，实际测量约