PT100溫度傳感器在單片機(jī)項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

摘 要：根據(jù)項(xiàng)目化教學(xué)的需要，利用PT100溫度傳感器設(shè)計(jì)一款單片機(jī)數(shù)碼溫度顯示器。文中主要論述了PT100溫度傳感器的測(cè)溫原理、軟硬件實(shí)現(xiàn)方法以及項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)過(guò)程。（本文原刊于煤礦開采2014年5月）

關(guān)鍵詞：PT100溫度傳感器；運(yùn)算放大器；IAP15F2K60S2；在線仿真

溫度計(jì)是現(xiàn)實(shí)生活中一重要實(shí)用物品，將該產(chǎn)品進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)可極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。可將其分解為數(shù)碼管顯示子項(xiàng)目、定時(shí)器中斷應(yīng)用子項(xiàng)目、串行通信子項(xiàng)目、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換子項(xiàng)目，并可擴(kuò)展按鍵輸入、報(bào)警輸出子項(xiàng)目。該項(xiàng)目基本包含了單片機(jī)教學(xué)的主要內(nèi)容：輸入/輸出口應(yīng)用、中斷、定時(shí)器、串行口、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。通過(guò)項(xiàng)目分解，使學(xué)生掌握單片的基本結(jié)構(gòu)、原理、程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程。每次實(shí)訓(xùn)結(jié)束后，多數(shù)學(xué)生都甚至想出資并強(qiáng)烈要求把自已的實(shí)訓(xùn)作品帶走。若將該項(xiàng)目進(jìn)行產(chǎn)品化可進(jìn)一步推進(jìn)單片機(jī)教學(xué)向生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)靠攏。

PT100鉑熱電阻00C時(shí)其電阻值為100Ω，1000C時(shí)電阻值為138.5Ω，其電阻值隨著溫度的升高近似線性增大，其阻值隨溫度變化的計(jì)算公式為：

-200

圖1 PT100溫度阻值線性化

0≤t<850℃ Rt=R0（1+At+Bt2）

由上述公式可看出PT100阻值與溫度的關(guān)系接近于拋物線。為了減化編程，本實(shí)例中將PT100電阻和溫度線性化，如圖1在程序中把溫度區(qū)間分段，分段區(qū)間內(nèi)其電阻值與溫度近似成正比，得

T=K（Rt -100）=K Rt -100K=K Rt –B 式（1）

由圖1知K=100/（138.5-100）≈2.5974

統(tǒng)過(guò)改變其比例系數(shù)K并減去一修正常數(shù)B使其更接近于實(shí)際溫度。這比查PT100阻值-溫度關(guān)系分度表要容易的多，精確度也可實(shí)現(xiàn)較高。

圖2是PT100的放大電路，PT100熱電阻電壓采樣采用電阻分壓橋式電路，TL431是穩(wěn)壓二極管，通過(guò)電阻R1使電壓穩(wěn)定在2.5V，避免電源電壓的波動(dòng)影響采樣電壓的穩(wěn)定。PT100在零度時(shí)的電阻為100Ω，與電阻R2串聯(lián)分壓送運(yùn)算放大器正向輸入端；R3和R4分壓送運(yùn)算放大器負(fù)向輸入端；理論上零度時(shí)正負(fù)輸入端壓差為0，隨著溫度的升高，每升高一度，PT100阻值增加0.390C，流過(guò)PT100的電流為1mA，即溫度每升高一度，前級(jí)運(yùn)算放大器正負(fù)輸入端壓差升高0.39mV。運(yùn)算放大器采用LM258單電源運(yùn)放，工作電壓為+5V，即滿量程輸出為0～5V，為了避免放大倍后超過(guò)5V限幅，限定運(yùn)算放大器輸出幅寬4V。已知流過(guò)PT100的電流為Ii（1mA），Pt100的阻值為Rt。PT100在5500C的阻值為297.49Ω，取整數(shù)值300Ω。設(shè)放大倍數(shù)為A，計(jì)算A值如下。

Ii*（Rt-100）*A<4

0.39*10-3（300-100）*A<4

A<51

即放大倍數(shù)應(yīng)小于51，取50，可測(cè)量溫度范圍為00C ～5500C。

設(shè)運(yùn)算放大器輸入壓差為Vi，輸出電壓為Vo，有

Vo=A*Vi=A*Ii*（Rt-100）

上式中A=50，Ii=1mA。得：

Vo=50*1*10-3*（Rt-100）=0.05（Rt-100） 式（2）

放大后的信號(hào)送單片機(jī)ADC0模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入接口，通過(guò)8位AD轉(zhuǎn)換將模擬電壓Vo轉(zhuǎn)換為數(shù)字量n。

Vo=V*n/256

已知單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換工作電壓為5V，得：

Vo=5*n/256 式（3）

由式（2）和式（3）得

0.05（Rt-100） =5*n/256

Rt=100*n/256+100 式（4）

圖2 PT100信號(hào)放大電路

由式（1）和式（4）可計(jì)算得出溫度T。

若按上述規(guī)定溫度測(cè)量范圍為5500C，單片機(jī)AD采樣用8位AD轉(zhuǎn)換器，則其有效測(cè)量精度小于550/256，即測(cè)量精度大約20C。若要提高測(cè)理精度，可采用更高位AD轉(zhuǎn)換器（比如12位AD轉(zhuǎn)換器，有效測(cè)量精度550/4096，小于0.20C。），或縮小溫度測(cè)量范圍（00C ～500C），并增大運(yùn)算器放大倍數(shù)。

IAP15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部有一10位AD轉(zhuǎn)換器。IAP15F2K60S2單片機(jī)不僅具有ISP/IAP在線編程功能，利用其內(nèi)部的監(jiān)控程序還可進(jìn)行在線仿真，方便程序調(diào)試，又節(jié)省成本，特別適合教學(xué)。利用IAP15F2K60S2單片機(jī)的1.0模擬輸入接口采集模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)后根據(jù)式（4）記算電阻值Rt，然后根據(jù)式（1）記算溫度T。另外由于運(yùn)算放大器和電阻誤差的存在，根據(jù)實(shí)際溫度將顯示結(jié)果做微調(diào)。C3、C4是運(yùn)算放大器LM258的電源濾波電容，C4是高頻旁路電容，電容C6對(duì)運(yùn)算放大器輸出濾波。

考慮到ADC0809是單片機(jī)教學(xué)中常用模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片，項(xiàng)目中擴(kuò)展了ADC0809接口芯片的應(yīng)用，ADC0809芯片內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路， ADC0809的CLK為時(shí)鐘輸入端，其頻率應(yīng)小于640KHz，本實(shí)例中用單片機(jī)的定時(shí)器1產(chǎn)生一400KHz的時(shí)鐘作為ADC0809的工作時(shí)鐘。模擬輸入使用通道IN0，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)的P0口。為了更好的理解ADC0809的模擬轉(zhuǎn)換過(guò)程，在硬件和軟件設(shè)計(jì)上沒(méi)有采用總線方式，而是用單片機(jī)的三個(gè)I/O口分別產(chǎn)生地址鎖存ALE/啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST、轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷信號(hào)EOC、允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出信號(hào)OE。

圖4 三極管符號(hào)及引腳圖

顯示電路采用數(shù)碼管動(dòng)太掃描方式，目的在于加強(qiáng)對(duì)單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。進(jìn)一步理解數(shù)碼管靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描原理及應(yīng)用，掌握數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描編程。并在項(xiàng)目中增加了按鍵調(diào)整電路，報(bào)警電路，串口通信。項(xiàng)目實(shí)例基本包含了51單片機(jī)主要知識(shí)點(diǎn)。為了減小AD采樣期間電源波動(dòng)，在AD轉(zhuǎn)換期間應(yīng)避免單片機(jī)I/O口的狀態(tài)變化，項(xiàng)目中用定時(shí)器T0每定時(shí)1ms采樣一次，并對(duì)10次采樣值求和取平均進(jìn)行數(shù)值濾波。

實(shí)訓(xùn)過(guò)程中最好讓學(xué)生利用Protel工具軟件獨(dú)立繪制電路原理圖和PCB制板圖。制作數(shù)碼管、DC電源等SCH元件庫(kù)，設(shè)計(jì)原理圖，制作數(shù)碼管、DC電源等PCB元件庫(kù)，設(shè)計(jì)PCB制板圖，輸出CAM文件。進(jìn)一步理解元器件在原理圖中引腳排列和實(shí)際封裝中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。比如PNP型開關(guān)三極管在電路原理圖（圖4）中的三個(gè)引腳1腳（發(fā)射極E，接電源Vcc）、2腳（基極B，接1K電阻）、3腳（集電極C，接數(shù)碼管陽(yáng)極公共端）與其實(shí)際封裝中的三個(gè)引腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)電路中元器件工作原理的理解能力。

在PCB圖設(shè)計(jì)中，盡可能要求學(xué)生手工步線，在手動(dòng)步線過(guò)程中，對(duì)照原理圖中各元器件的線路連接關(guān)系，進(jìn)一步檢查各導(dǎo)線間的連接關(guān)系及步線的正確性，加深對(duì)電路的理解與應(yīng)用，為后序的軟硬件調(diào)試打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖5 主程序

圖6 定時(shí)器T0中斷服務(wù)

對(duì)于焊接實(shí)訓(xùn)教科書中比較詳細(xì)，不再贅述。由于學(xué)生焊接的熟練程度和技術(shù)能力有限，錯(cuò)誤在所難免。如果把一塊板子上的所有元器件都焊接完成，再調(diào)試檢查硬件線路比較困難。我們?cè)趯?shí)訓(xùn)中的做法是先焊接成功一個(gè)小系統(tǒng)，比如本例中先點(diǎn)亮一個(gè)數(shù)碼管，或先點(diǎn)亮一個(gè)數(shù)碼管中的一段，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管閃爍測(cè)試程序，此階段可不要求數(shù)碼管顯示數(shù)字，僅是讓單片機(jī)動(dòng)起來(lái)。這不僅有利于檢查硬件線路，還提高了同學(xué)們的軟件編程能力，提高同學(xué)們的硬件排除能力，增強(qiáng)自信力。然后再焊接其他數(shù)碼管，同樣要求學(xué)生一邊焊接，一邊測(cè)試，不提倡學(xué)生一次焊接多個(gè)元器件，直到四個(gè)數(shù)碼管全部閃爍顯示。這時(shí)可要求學(xué)生編寫0-9的數(shù)碼顯示測(cè)試程序，比如先顯示0123，一秒后再顯示4567，再隔一秒顯示890.1帶小數(shù)點(diǎn)顯示等，到此階段顯示電路制作完成。第二階段推薦先焊接ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，編寫對(duì)應(yīng)的單片機(jī)測(cè)試程序，將ADC0809的通道IN0接地或接電源，檢查其數(shù)字輸出，測(cè)試ADC0809是否正常工作。最后焊接PT100和LM258運(yùn)算放大電路，編寫程序，測(cè)試軟硬件。

IAP15F2K60S2單片機(jī)具有在線仿真調(diào)試功能，與下載器連接僅需4根線：電源、TxD、RxD和地。通過(guò)stc-isp-15xx-v6.63軟件設(shè)置IAP15F2K60S2單片機(jī)為仿真芯片，可進(jìn)行單步、斷點(diǎn)、執(zhí)行到命令行等調(diào)試。stc-isp-15xx-v6.63程序代碼下載器軟件內(nèi)部集成串口調(diào)試、波特率、定時(shí)器常數(shù)計(jì)算及程序自動(dòng)生成工具，可大大簡(jiǎn)化了編程工作量，提高編程郊率。采用USB調(diào)試接口，不需要在電路板中增加max232電平轉(zhuǎn)換接口即可實(shí)現(xiàn)串行化數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送。

主程序主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)器T0、定時(shí)器T1、串行口的初始化，調(diào)用顯示子程序和溫度計(jì)算子程序。定時(shí)器T0用于控制AD采樣的頻率，如圖6，每50ms中斷1次，中斷20次1秒，實(shí)現(xiàn)每隔1秒單片機(jī)進(jìn)行一次AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存在AD采樣結(jié)果數(shù)組。定時(shí)器T1用于產(chǎn)生400KHz時(shí)鐘，由其時(shí)鐘輸出口P3.4送模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)口ADC0809，用作ADC0809的時(shí)鐘。定時(shí)器T1應(yīng)禁止中斷。串行口主要用作程序調(diào)試時(shí)的數(shù)據(jù)顯示。溫度顯示用4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)，掃描頻率50Hz。

圖7 溫度計(jì)算

溫度計(jì)算主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容，如圖7，一是對(duì)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)值濾波處理，二是將處理后的數(shù)據(jù)向溫度值轉(zhuǎn)換。由于干擾的存在，在采樣過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)采樣信號(hào)的波動(dòng)，為了減小干擾造成的測(cè)量誤差，項(xiàng)目中設(shè)置采樣10次求平均值的方法進(jìn)行濾波。在進(jìn)行數(shù)值濾波操作之后，正如開篇所述，要將AD結(jié)果轉(zhuǎn)換為溫度，常用兩種方法，查表法和公式法。查表法占用存儲(chǔ)空間，編程比較麻煩，實(shí)現(xiàn)精度也不高；公式法比較簡(jiǎn)單，只需要確定比例系數(shù)K和修正偏差B即可。

在上述項(xiàng)目的基礎(chǔ)上也可拓展聲光報(bào)警電路、按鍵輸入電路等。該項(xiàng)目不僅涵蓋了單片機(jī)教學(xué)的基本知識(shí)點(diǎn)，又可在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)過(guò)程中強(qiáng)化編程訓(xùn)練，掌握程序調(diào)試技巧。通過(guò)調(diào)試各個(gè)模塊程序，由小到大、逐步增加，然后調(diào)試主程序，再將各部分連接進(jìn)行綜和調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的程序調(diào)試能力。總結(jié)來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目教學(xué)法是以學(xué)生為中心，以真實(shí)項(xiàng)目為載體，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能為目標(biāo)，在整個(gè)過(guò)程中邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí)。將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)探索學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和動(dòng)手操作能力。（本文原刊于煤礦開采2014年5月）

作者簡(jiǎn)介

本文作者胡建波，1994年7月山東工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，工程碩士，長(zhǎng)期從事嵌入式教學(xué)與實(shí)踐操作，主要研究方向?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)開發(fā)與應(yīng)用。