温度变送器 终期1

电子线路设计终期报告

——温度变送器

设计目的：利用Pt100等构成高精度温度变送器

设计要求：1、温度范围0——100C。

2、显示电压范围0——5V

3、设计精度达到 0.01v

设计原理：

本设计根据课程要求，使用铂热电阻PT100做温度传感器，自行

设计可变电源、精密恒流源电路、线性误差较小的医用放大器、AD

转换以及温度数码显示。在设计过程中，电路的模拟均以orcad或protus仿真完成。

pt100温度-阻值对应图

在贯穿设计过程中一个最重要的换算公式如下：

假设恒流源电流为a ，医用放大器的放大倍数为x ，当温度在0-100摄氏度变化时，pt100阻值为100-140欧姆，最后一部分的放大倍数为t 则

（140-100）ax*t=5v

（一）稳压电源的设计

性能指标要求Vo=+3~+15V ，Iomax=800mA ，P OP V -?≤5MS,V S ≤3*10^-3 在实际应用中，基于成本等方面的考虑，改换电源方案：

（1）选择电源变压器。因为稳压器的最大允许电流Icm

所以V

≤

≤

+,

3

V40

3

Vi

15+

因此V

≤

V43

18≤

Vi

副边电压V2≥Vimin/1.1V,取V2=17V,副边电流I2>Iomax=0.8A,取I2=1A，变压器的副边输出功率为P2≥17W,根据小型变压器的效率表1-2，此变压器η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=24.3W,为留有余地故选择30W变压器。

表1-2 小型变压器的效率表

副边功率P2/VA <10 10~30 30~80 80~200

效率η0.6 0.7 0.8 0.85

（2）选择整流二极管即滤波电容。整流二极管选择4个1N4001，其

极限参数是Vrm ≥50V ，If=1A 。满足Vrm>2

V2,If=Iomax 的条件。

滤波电容C=p ip C V t I -?/

其中，P IP V -?为稳压器输入端纹波电压的峰峰值，t 为电容C 的放电时间，t=T/2=0.01s ；Ic 为滤波电容的放电电流，可取Ic=Iomax ，且其耐压值应大于

2

V2。

即由纹波电压P OP V -?和稳压系数V S 来确定。已知Vo=12V ，Vi=18V,P OP V -?=5MA,V S =3103-?,则 I V ?=V

O I

P

OP

S V V V -?=2V

所以C=

I

C V t I ?=

I

o V t I ?max =1000F μ

且电容的耐压值应大于2

V2=24V,故取两个470uF 、25V 电容

与原设计过程相比存在的问题：

设计参数基本不变，只是将2200uf 的电容改换成470uf ，耐压值加大为50v ，在实验过程中出现以下问题：

1、曾用7905制造-5v 电压，但输出相当不稳定，有时能达到-11v ，由于变压器输出15v ，经整流后达到20v 之高，远远高于7905的输入电阻；

2、在做正负电源时必须用三抽头变压器，中间是地线，可以稳定地控制7912，7812，7805的输出与地线的电压差；

3、整流后的滤波电容一定要有足够的耐压值，避免烧毁； （3）电路的安装与调试。

1、在变压器的副边接入保险丝FU，以防短路时损坏电路；

2、装集成稳压电路，再装整流滤波电路，最后安装变压器。安装一级测试一级；

3、测试说明：【1】稳压电路，在其输入端加Vi<12V,输出电压Vo固定不变且为正常值，则正常；【2】整流电路部分，要注意检查，避免整流二极管反接，安装前用万用表测其正负；【3】变压器，整流输出电压Vi应为正。断开交流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连，再接通电源。

4、最终级联后的电路整体性能指标测试电路1-3

测量过程：输出端姐负载电阻Rl，输入端接220V交流电压，数字电压表的测量值为Vo，使Rl逐渐减小，直到Vo下降5%，此时的负载电流为Iomax。

（记下测量值后迅速增大Rl，以减小稳压电源的功耗）

图1-3稳压电源性能指标测试电路

我们对电源进行了测试，结果较为理想，稳定输出+12v，+5v，-12v 误差在 0.02

(二)恒流源的设计

为避免pt100本身发热引起的非线性误差，取恒流源电流Io=1mA 选用设计中的方案2

方案二：利用集成芯片5532，如图2-2

原理：根据运算放大器的虚短和虚断，lm358的2脚和3脚等电平，为4.000V，根据虚断，（0-V2）/R1+(Vo-V2)/Vp=0,则在pt100上的压降V=Vo-V2=V2/R1*Rp，即为恒流源。

图2-2

本电路所要计算的参数不多，对于图中R4与R5的分压部分采用1k 与4.7k变阻构成，为符合对称要求，使R1=3k，图中R7代表PT100，通过表格可知其电阻范围在100-140Ω之间。

存在的问题：

尝试过试用方案一，即三极管方案，但是实行起来相当麻烦，无法达到所需电流值，加上偏臵不当以及三极管本身的误差，改换低二套方案，即上述方案，利用功放虚短和虚断的特性。实行起来问题不大，只是要注意元件参数的选择，特别注意功率。

（三）两级放大器部分的设计

我们要求中的温度为0~100?C,而pt100对应的阻值为100~138.5Ω，我们选定恒流源的电流为1mA，即pt100两端的电压为

0.1000~0.1385V ，最终要得到的电压应为0~5V ，放大倍数应为

1000

.01385.05

=129.87，分两级来实现。

1、通过对有关资料的查阅，放大器电路中，一般首级放大器有低噪声、低输入偏臵电流、高共模抑制比等要求，故采取弱信号检测放大器，即双端输入-单端输出、且拥有较高的共模抑制比的放大器。如图3-1，其中U1、U2构成前几对称的同相反相输入放大器、后级为差分放大器。在这个模块，为保证放大器的高性能，参数的对称性与一致性非常重要。 R1=R2=24k R3=R4=39k R5=R6=82k

U1与U2完全相同，R8为10k 与4.7k 变阻器串联。

图3-1

3

5

8211

2)1(R R R R R V V Vo A S S VD ++

=-=

以两级设计如上，并没有达到预期效果，主要表现在调途中华东变阻器，不能达到变换增益的效果，原因如下：

1、偏执不当，我们组设计的第一个电源7905输出不稳；

2、由于线路复杂，有短路

种种问题，导致不得不弃用本套方案，该为集成以用放大器ad620，管脚图如下：

2、第二级放大电路如图3-2

图3-2 在本级中，放大倍数=

VD

A -

+-V V V O '=

1

3R R

温度为0'C 时，pt100为100欧姆，此时经过第一级放大后得到V+=0.1000*12=1.2000V ，调节偏臵使第二级放大电路得到的输出电压为0~5V ，即-V =1.25V

在此图中，取标称值R1=R2=5.1k ，R3=R4=51k ，R5=1k ，R6=5k 在这一部分中，重要的是参数计算 存在的问题：

偏臵电压的更换，引来很多问题，特别是元件的更换，需要重新计算参数，重新调试，不过这个模块的结果最重要的问题是精度问题。电路本身存在不可补偿的误差，使电压无法达到精确度。

(四)AD 转化

对于AD 来说，最重要的两个技术指标是转化精度和转化速率。首先考虑AD 精度的问题，实验要求精确到0.01V ，因此V

V N

REF

01.02

1≤?,

所以N=10，选取十位AD转换。本次试验本来计划选用选取逐次逼近型AD即AD571进行AD转化。但AD571价格昂贵，为节约成本改用十位串行输出的ad转换芯片tlc1543

数码管显示部分大体框图如下：

开始

AD取入十位

0000000000—

01××××××××

A转化为BCD码

ANL A, #00FH//取小数点后第二位

写入显示数码管

ANL A ,#0F0H//取小数点后第二位

写入显示数码管

ANL A , #0F00H//取小数点后第二位

写入显示数码管

下面着重介绍一下tlc1543 的性能：

引脚号名称I/O 说明

1-9、11、12 A0-A10 1 模拟输入端。这11个模拟信号输入由内部

驱动电路的阻抗必须小于或等于1k

15 CS 1 片选段。

17 ADDRESS 串行数据输入端。一个4位的串行地址选

将被转换的模拟输入。在I/O CLOCK的前

臵入，在4个地址位读入后，后续信号无

16 DATAOUT O 用于A/D转换结果输出的三态串行输出端

在CS为高时处于高祖状态，为低时处于激

一旦有效，按照前以此转换结果的MSB值

从高祖状态转变成相应的逻辑电平。剩下

出。注意：上升沿控制。

19 EOC O 转换结束端。在第十个I/O CLOCK，该输

高电平编程低电平并保持低，直到转换完

备输出

10 GND i 地

18 I/O CLOCK I 输入输出时钟端，有以下功能：

1、在I/O CLOCK的前四个上升沿，将4个

入地址寄存器

2、从第一个开始，连续十个上升沿，将

入单片机

14 REF+ I 正基准电压端。基准电压的正端加到vcc

电压范围取决于与加于REF-端的电压差13 REF- I 负基端电压端。接地

20 VCC 正电源端

ORG 0000H EOC BIT P1.0 CLK BIT P1.1 ADDR BIT P1.2 DO BIT P1.3 CS BIT P1.4

AD1 EQU 30H AH EQU 31H AL EQU 32H LJMP START ORG 1000H START:

MOV SP,#30H MOV P1,#0FFH NEXT:

CLR CLK MOV AD1,#00H MOV A,#00H MOV AH,A MOV AL,A

ACALL ADC

JNB EOC,$

MOV R7,AH

MOV R6,AL

MOV A,#00H

MOV R0,#60H

MOV R5,#5

LOP0:

MOV @R0,A

INC R0

DJNZ R5,LOP0

MOV R0,#60H

LOP4:

MOV A,R7

JZ LOP2

LOP3:

MOV A,R6

MOV B,#10

DIV AB

MOV R6,A

MOV R1,B

MOV A,R7

MOV B,#10

DIV AB

MOV R7,A

MOV R2,B

MOV A,#25

MUL AB

ADD A,R6

MOV R6,A

MOV A,R2

MOV B,#6

MUL AB

ADD A,R1

MOV B,#10

DIV AB

MOV @R0,B

ADD A,R6

MOV R6,A

INC R0

LJMP LOP4

LOP2:

MOV A,R6

JNZ LOP3 ACALL DISPLAY JMP NEXT ADC:

SETB CS

CLR CS

MOV R0,#2H LOP1:

MOV A,AH MOV C,DO

RLC A

MOV AH,A MOV A,AD1 RLC A

MOV ADDR,C MOV AD1,A SETB CLK

NOP

CPL CLK

DJNZ R0,LOP1 MOV R0,#2H LLOP2:

MOV A,AL

MOV C,DO

RLC A

MOV AL,A

MOV A,AD1 RLC A

MOV ADDR,C MOV AD1,A SETB CLK

NOP CPL CLK

DJNZ R0,LLOP2

MOV R0,#6H

LLOP3:

MOV A,AL

MOV C,DO

RLC A

MOV AL,A

SETB CLK

NOP

CPL CLK

DJNZ R0,LLOP3

SETB CS

RET

DISPLAY:

MOV R0,#4

MOV R1,#60H

SLOP1:

MOV DPTR,#NUMTAB1

MOV R2,#250

SLOP2:

MOV DPTR,#NUMTAB1

MOV A,@R1

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

CLR P1.5

ACALL DELAY1MS

SETB P1.5

INC R1

MOV A,@R1

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

CLR P1.6

ACALL DELAY1MS

SETB P1.6

INC R1

MOV A,@R1

MOV DPTR,#NUMTAB2

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

CLR P1.7

ACALL DELAY1MS

SETB P1.7

DJNZ R2,SLOP2

DJNZ R0,SLOP1

RET

DELAY1MS:

MOV R7,#80

DJNZ R7,$

RET

DEL:

MOV R2,#04H

D1:

MOV R3,#0FFH

D2:

MOV R4,#0FFH

D3:

DJNZ R4,D3

DJNZ R3,D2

DJNZ R2,D1

RET

NUMTAB1:

DB

3FH,06H,5BH,4FH,66H,6D

H,7DH,07H,7FH,6FH

NUMTAB2:

DB

0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E

6H,0FDH,87H,0FFH,0EFH

SJMP $

END

#include "reg51.h"

#include "intrins.h"

#define uint unsigned int; #define uchar unsigned char; sbit _cs=P1^4; sbit d_out=P1^3; sbit clk=P1^1; sbit addr=P1^2;

sbit w=P2^7;

sbit wula0=P1^5;

sbit wula1=P1^6;

sbit wula2=P1^7;

uint data ad;

uchar data ah=0;

uchar data al=0;

//uint ad_rslt;

uint wu_bai; //转换结果百位...

uint wu_shi; //转换结果十位...

uint wu_ge; //转换结果个位...

int i=0;

//int y=0;

uchar code table[]={

0x3f,0x06,0x5b,0x4f,

0x66,0x6d,0x7d,0x07,

0x7f,0x6f,0x77,0x7c,

0x39,0x5e,0x79,0x71};

void delay(){

int y,j;

for(y=0;y<10;y++)

for(j=0;j<110;j++);

}

uint get_AD(unsigned char port){

//AD采样函数...

_cs=0;

clk=0;

port<<=4;

//送入地址信息...

for(i=0;i<4;i++){

addr=(bit)(port&0x80);

clk=1;

clk=0;

port<<=1;

}

for(i=0;i<6;i++){

clk=1;

clk=0;

}

//等待转换...

_cs=1;

//delay();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_cs=0;

//送入数据...

for(i=0;i<2;i++){

d_out=1;

clk=1;

//clk=0;

if(d_out){

ah |=0x01;

}

ah<<=1;

clk=0;

}

for(i=0;i<8;i++){

d_out=1;

clk=1;

//clk=0;

if(d_out){

al |=0x01;

}

al<<=1;

clk=0;

}

_cs=1;

ad=(unsigned int)ah;

ad<<=8;

ad |=al;

return ad;

}

void main(){

float temp;

unsigned int ad_rslt;

while(1){

temp=(float)get_AD(0x00);

// temp=0x01dc;

temp=(temp/0x03ff)*5000;

ad_rslt=(unsigned int)(temp/10);

wula0=0;

wu_bai=(ad_rslt%1000)/100;

P2=table[wu_bai];

w=1;

delay();

wula0=1;

wula1=0;

wu_shi=(ad_rslt%100)/10;

P2=table[wu_shi];

delay();

wula1=1;

wula2=0;

wu_ge=ad_rslt%10;

P2=table[wu_ge];

delay();

wula2=1;

}

} /*

void delay(unsigned int z){

for(i=z;i>=0;i--)

for(y=110;y>=0;y--); }*/

调试中出现问题的地方有：

1、对单片机的基础知识不熟练，走了不少弯路，譬如：在调试初期，我们使用P0口输出，却没有加上拉电阻，以至于软件仿真、面包板调试都失败，且找不到原因，实验停滞一周之久；

2、后来改用p2口输出，但仍然存在问题，p2口内臵上拉电阻，但是由于电阻阻值相当大，使接数码管后，电流不足以驱动；

件仿真虽然成功，真正电路上却无法正常工作；如下图:

4、最终改换p2 口外置上拉电阻，数码管亮度大大增加；

5、但是软件上仍存在问题,程序无法正确显示，经过多次调试，仍然未能达到预期结果，存在频闪和误差的问题，利用单片机进行补偿，也没有效果。

总结：

其实可以说本学期电子线路设计是以失败告终的，这个从设计到连接到调试的过程走的十分坎坷，问题时时刻刻存在，但由于我们本身对于所学知识的机械掌握，不能活学活用，解决问题的过程也十分艰难，板子一改再改，器件一换再换，即使仿真成功，即使面包板上的结果正确，依然无法在焊接过程中万无一失，错误一再出现，失败一再重复。

但是，我相信在我们的错误中，我们已经得到了宝贵的经验，一方面加强了对知识的理解与应用，一方面也真正动手去设计制作自己的电子设计，学到了很多书上不会讲明白的东西，还有一方面就是我们学会了很多有用的操作或元件特性，在这个实验报告中，有很多元件工作手册都是英文的，我们全自主翻译，设计需要，还自学了orcad 与protus软件。而且在这个过程中，尽管失败的结果带来了我们心情的失落，但我们的合作十分融洽，分工明确，又互相帮助，面对失败，我们坦然接受，一旦有转机，不论何时，也会积极地兴奋地去完成，哪怕有一点点的成果，也会让我们每个人兴奋不已，毕竟这样的机会不多，毕竟这每一点都是我们一再更改一再努力后得到的。

失败的滋味十分苦涩，但有我们共同承受着，很多人说，付出与回报是等价的，我们的付出换来的该是什么样的回报呢？我们从开题时候就没有轻松过，都是第一次动手设计，都是第一次做自己设计的东西，改动在所难免，我们欣然接受。不论周末也好，隔离时期也好，我们从未放弃过电子设计，每一个元件，每一条连线都是见证，不惜一切，我们向着同样的目标奋斗，直到验收的前一天晚上，束手无策。沉默，让实验结果的失败给我们带来的失落更加昭然若揭，但是，相信每一个人心中都明白，我们努力了，尽力了，归咎于我们知识的局限，相信这次电子设计会鞭策我们奋发学习，打破这个僵局，让它永远不要再出现。