前言 (2)第一章智能温度测量仪表方案设计与论证 (3)功能与要求 (3)方案的论证与比较 (3)方案的确定 (5)1.3.1数据采集通道的理论计算 (5)1.3.2温度值粗测理论推导 (6)D的理论推导 (6)1.3.3 根据T1确定差分部分AV第二章智能温度测量仪表的硬件设计 (7)系统硬件框图 (7)系统的输入通道设计 (7)单片机最小系统 (8)人机接口电路 (8)2.5串口电路 (9)执行电路 (9)第三章软件设计 (10)下位机软件的设计 (10)3.1.1下位机主程序设计 (10)3.1.2 CH451中断子程序设计 (11)3.1.3数字滤波函数和ADC0809读函数设计 (12)3.1.4快速测量温度粗值函数设计 (13)3.2上位机软件设计 (13)第四章智能温度测量系统的安装与调试 (15)硬件调试 (15)软件调试 (15)4.3整机调试过程 (16)第五章设计体会与小结 (17)参考文献 (18)附录 (19)前言随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术, 本文主要介绍了一个基于AT89C51单片机的测温系统，描述了利用温度传感器PT100测温系统的过程，对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现温度采集和显示，灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。

第一章 智能温度测量仪表方案设计与论证功能与要求功能基于单片机的温度测控系统分为上位机和下位机两部分。

其中上位机应可通过虚拟仪器的前置面板界面显示温度数据，若温度超过设定温度，在显示屏上进行报警提示。

而下位机则是可以利用单片机对温度传感器采集到的温度数据及时采样，并在数码管上显示，用矩阵键盘来控制和设定温度值，并将采集到的温度数据通过串口传到上位PC 机。

要求：①.学生自行设计硬件电路并焊接电路板 ②.编写上位机虚拟仪器和下位机程序 ③.实现温度测控并进行系统功能测试方案的论证与比较方案一：通过运放构成1毫安恒流源，将Pt100加在恒流源上，其输出接入仪用放大器，然后经A/D 转换，将数据送入单片机。

图1 方案1的系统方框图本方案的优点是有较大的较稳定的电压输出，输出电压的范围相对较大且线性度好 但缺点是每次输出的电压中有无用电压，且在温度小于300℃时，其无用电压约占50%，从而导致放大倍数不高，测量精度偏低。

方案二：单片机AD 转换 仪用放大器由运放构成1mA 电流源利用1K 的电阻与PT100构成电桥采集电路，将采集信号经过仪用放大器放大后在由固定的差分放大电路进行二级放大，然后将放大信号经过A/D 转换，最后传给单片机。

图2 方案二的系统框图本方案的优点是有较大的电压输出范围，温度低于100度时，测量精度可达到1度。

但缺点是温度较高时，线性度不好，测量精度达不到1度，且不能自动换挡。

方案三：由PT100和10K 电阻组成电桥采集电路，将采集信号传送给仪用放大器放大，然后将放大的信号经过差分电路进行二级放大，由于放大倍数的因素需对二级放大加入补偿，然后进行A/D 转换，最后将数字量传送给单片机。

在软件上，通过改变仪用放大器的倍数，从而实现自动换挡，即可以测量较大范围内的电信号。

当初步测量出被测信号后，就可也综合考虑，选择出合适的仪用放大器的放大倍数和差分电路所需的DA 输出电压。

这样就可以实现精确测量。

本方案的优点是有较好的线性电压输出，可自动选择量程，有较高的测量精度，测量范围较大。

但缺点是抗干扰能力相对较弱，需要加必要的抗干扰设计，否则干扰太强同样PT100组成电桥（10K ）仪用放大器 INA114差分电路A/D 转换 ADC0809CD4051 DA5615单片机 89C51图3 方案三的系统框图PT100电桥采集电路仪用放大器 固定差分放大器 A/D 转换 单片机达不到设计要求的精度。

方案的确定综合比较以上各种方案的性能后，决定采用方案三。

1.3.1 数据采集通道的理论计算Ｐｔ１００温度传感器：Ｔ为温度，3K 为比例系数，Ａ为常系数（在精确测量时，3K 和Ａ的值会根据分段情况有所变化），R ∆为电阻变化值。

Ｔ＝3K R ∆＋Ａ （1）电桥输入输出关系：0U 为电桥输出电压，i U 为电桥输入电压，Ｂ为由于电桥不平衡而出现的常偏差系数，Ｒ为10K 欧姆电阻。

0U ＝R R 4∆i U ＋Ｂ （2）仪用放大器输入输出关系：1K 比例系数，1U 输出电压。

1U ＝1K 0U （3）差分放大输入输出关系：2K 比例系数，f U 为DA 输出电压，2U 输出电压。

2U =2K (1U -f U ) (4) DA 输入输出关系：NF U 2为DA 的参考电压，AV D 为DA 输入的数字量。

f U =2NF U 2AV D /1024 (5)1K2K3Ki UＲ NF U 2B A258 20 10000 50 20 20 20 1020AD 输入输出关系：x N 数字量输出：x N =512U （6）则由（1）（2）（3）（4）（5）（6）得: T =x i N U K K RK 213514+AV i NF D U K RK U 132128 - iU BRK 34+A (7)1.3.2 温度值粗测理论推导由于每次测量时不知道温度大概值，于是有必要先粗测出温度值，根据（7）让AV i NF D U K RK U 132128 - iU B RK 34+A = 0 （8）表2 （参数1K 取值及对应AV D 值 ）1K25850 20 10 AVD15730126从而 T 1= x iN U K K RK 213514 （9）表3 （参数1K 取值及对应U K K RK 3514值 ）1K25850 20 10 iU K K RK 2135141.3.3 根据T1确定差分部分AVD 的理论推导要确保精度达到度，则有R ∆约为时能被AD 辨认出来，于是1K 2K R ∆i U /(4R)>5*821（9）则1K 2K >40000; 取1K =258, 2K =20。

由（1）（2）（3）得1U =*T1 + （与B 有很大关系）又实测出2U 最大约为，测出希望2U 有一定的输出1~之间，则由(4) (5) 得*T1+<AV D <*T1+144 （10）第二章 智能温度测量仪表的硬件设计系统硬件框图本设计选用PT100作为温度传感器，采用三线制接法，与10K 电阻构成电桥，将输出电压依次送入仪用放大器，一阶低通滤波器，差动放大器，一阶低通滤波器，ADC0809转换，最后将转换后的数字信号经单片机进行数字滤波，得到温度值。

同时可以通过矩阵键盘进行控制，通过LED 进行显示。

系统硬件方框图如图3所示。

系统的输入通道设计本系统输入通道作用是将温度转换为电压信号，再转换为数字信号传给单片机。

其组成包括：电桥仪用放大器、程控差分放大器，A/D 转换及低通滤波器。

具体电路如图4所示。

PT100组成电桥（10K ）仪用放大器INA114LPF 、差分电路A/D 转换ADC0809CD4051DA5615单片机 89C51MAX232上位机CH451（4*4）键盘4位LED图3系统硬件框图单片机最小系统本部分的作用是处理数据，控制各器件。

组成包括89c52单片机，时钟电路，复位电路。

其具体电路如图5所示。

图5 单片机最小系统电路图人机接口电路本电路的作用是实现温度显示，温度设定。

组成模块有4位集成数码显示，4*4键盘等。

具体电路如图6所示。

图6 人机接口电路图2.5串口电路本电路的作用是实现单片机与上位机的通讯。

其组成包括：MAX232,串口通讯接口等。

具体电路如图7所示。

图7 串口通讯电路执行电路本部分的作用是通过三极管推动继电器工作。

组成包括：三极管，继电器，发光二极管等，具体电路如图8所示。

图8 执行电路百度文库- 让每个人平等地提升自我第三章软件设计下位机软件的设计3.1.1 下位机主程序设计系统的软件设计可以分为几个部分，首先是各个模块的底层驱动程序编写，然后是系统的联机调试，编写上层系统程序。

本系统软件程序主要包括：模数转换ADC0809的底层驱动模块，数模转换TLC5615的底层驱动模块，人机交互CH451的底层驱动模块（包含键盘扫描和数码管显示），串口通信MAX232的底层驱动等。

系统的软件流程如图9。

图9 主程序流程图3.1.2 CH451中断子程序设计选用ＣＨ４５１高速４线串行接口（可节省I/O口），其操作命令均为１２位，其中高４位为标识码，低８位为参数，其会自动扫描，这就可以省去单片机的大量工作。

CH451中断子程序流程如图10。

图10 CH451中断子程序流程图3.1.3 数字滤波函数和ADC0809读函数设计多次采样，然后将采样值按顺序排列，再将中间值作为最终输出，这样通过运用中值滤波可以去掉偶然因素引起的波动或采样不稳定（这里ADC0809的时钟约,超过其设计最大值，极有可能并不稳定），通过求平均值，消除脉冲性干扰，得到相对平滑的波形。

程序流程如图11。

ADC0809为8位并口输出，8通道，逐次逼近，8位模数变换器。

程序流程如图12。

开始读取n个平均数据图11数字滤波函数流程图图12ADC0809读函数流程图3.1.4 快速测量温度粗值函数设计由于刚开始测量时不知道被测温度的大概值，于是这里设计了自动换挡测量出温度的粗值，从而可以计算出差分电压部分所需要的被减电压，从而通过TLC5615输出，进而实现精确测量。

快速测量温度粗值函数程序流程如图13。

图13 快速测量温度粗值函数流程图3.2上位机软件设计通过MAX232实现串口通讯，下位机将数据发送到到上位机。

上位机可以利用其相对强大的数据处理能力将数据进一步处理，让后输出显示，也可以实现远程控制。

本出只是将数据上传，让后以波形，数字和温度计形式显示出来。

此处运用LABVIEW软件实现，其程序图如图14。

前置面板如图15。

图14 上位机程序图图15 上位机前置面板第四章智能温度测量系统的安装与调试硬件调试将硬件设计好后，通过软件将采集部分的模拟电路进行调试，让其输出入一定的模拟量测，在测量其输出，看是否与理论值相当。

再加一定的干扰，在侧其出处是否稳定。

经过这样必要的软件仿真后，在焊接实际器件，由于没有印刷电路板，则得花费较多时间焊接，并检查是否虚焊，短路等。

排除一些列问题后，在进行输入输出测试。

看与理论值有多大的误差，是否可用。

测试顺序依次是：电桥，仪用放大器，差动放大器。