多路铂电阻无线测温系统

论文总字数：19361字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题的研究目的及意义 1

1.2 课题的国内外研究现状 2

1.2.1 测温元件的类型 2

1.2.2 多点测温的意义 2

1.3 论文内容简介 2

1.4 本章小结 3

2 系统总体设计方案 3

2.1 方案对比论证与器件选择 3

2.1.1 测量方案对比 3

2.1.2 激励电流源方案对比 5

2.1.3 信号调理电路方案对比 5

2.1.4 主从控制器对比 6

2.1.5 无线组网方案对比 6

2.1.6 显示方案对比 7

2.1.7 稳压方案对比 7

2.1.8 存储方案对比 8

2.2 总体方案 8

2.3 本章小结 8

3 系统硬件设计 8

3.1 四线制测量电路 8

3.1.1 四线制接口电路设计 9

3.1.2 恒流激励电流源设计 9

3.2 信号调理电路设计 10

3.3 微控制器最小系统 10

3.3.1 各测量子模块主控STM8S103最小系统 10

3.3.2 终端主控制器STC15最小系统 11

3.4 无线模块接口电路设计 11

3.4.1 NRF24L01与从机接口电路 12

3.4.2 NRF24L01与主机接口电路 12

3.5 单片机驱动液晶显示器 12

3.6 存储器接口电路设计 13

3.7 按键控制电路设计 13

3.8 系统从机总电路图 13

3.9 系统主机总电路图 14

3.10 本章小结 15

4 系统软件设计 15

4.1 软件应用开发平台 15

4.2 系统程序流程图 15

4.2.1 发射机程序流程图 15

4.2.2 接收机程序流程图 16

4.3 终端显示界面开发 17

4.4 本章小结 17

5 调试结果与分析 17

5.1 调试步骤 17

5.1.1 恒流源电路调试 17

5.1.2 铂电阻测温电路调试 18

5.1.3 无线传输模块调试 19

5.1.4 屏幕显示电路调试 19

5.1.5 存储功能模块调试 20

5.2 调试结果分析 20

5.3 调试中遇到的问题及解决方法 20

5.4 本章小结 20

6 总结与展望 20

6.1 论文总结 20

6.2 对设计的展望 21

参考文献 22

致谢 23

附录 24

多路铂电阻无线测温系统

董佳佳

，China

Abstract：Aiming at the common two-wire resistance temperature measurement error and limited single-point temperature detection range, this paper proposes a multi-channel four-wire wireless temperature measurement system with PT100 platinum resistance as the sensor. The system is mainly composed of a microcontroller, an excitation current source, a PT100 sensor, a signal conditioning circuit, a wireless transceiver, a TFT screen display, and an information storage module. The sensor uses a four-wire connection to reduce the influence of the wire resistance on the measurement. The constant current source is designed as an excitation, and the resistance is converted into a voltage signal, which is input into the micro-controller's internal ADC. The resistance is calculated and converted into a temperature value according to the function of the PT100 resistance and temperature. Each measurement result is sent to the host through the wireless module. The host drives the TFT screen to display measurement information and send it to the host computer through the serial port. Using LabVIEW to prepare the host computer display interface. The paper put forward circuit schematics and software design flow, and conducted experimental debugging. During the test, the PT100 sensor was used to measure the temperature and check the system function. To test the accuracy of the system, use a UPRN type high precision, low temperature drift resistance (with one thousandth of precision, temperature drift 2PPM) with specific resistance (corresponding to different temperatures) to access the system in a four-wire system. The measurement results show that the temperature measurement Accuracy can reach ± ​​0.25 °C, and can be wirelessly transmitted to the terminal reliably.

Keywords：PT100; Temperature measurement; Wireless transmission; Four-wire system

1 绪论

1.1 课题的研究目的及意义

在我们的生活中，温度一直存在，且对生产生活起着非常重大的作用。自进入“机器时代”以来，工业的发展和温控能力有着相当大的联系，在钢铁、化工、制药等行业都必须考虑温度，在生产大多数产品时，都对温度参数有一定的要求，温度能够在定值上下浮动或按照固定的规则变化，这就要对生产设备中的温度进行精确的控制与测量。在农业生产中，许多现象也与温度密不可分，比如，离开合适的温度后农作物不能正常生长、家禽孵化也不能如期进行，所以对温度正确的测量和有效的控制是及其重要的。然而在现实生产的工作中，因为其他各种原因，温度往往总是与固定值相偏差或者是变化无常，没有一定的规律，这时候，就需要对温度进行人为的调节，从而达到对系统的温控能力的加强。而这整个调节过程就是温度控制^[1]。

随着现代科技的迅猛发展，在各种测量技术与时俱进的同时，传感器为例的等技术的发展得到了显著的提高，它可以获取待测量的信息，传感器技术的应用非常广泛，可以用在测控系统，温度传感器的原理极其简单，就是运用物质的各种物理性质随温度变动的规律，根据相应公式，将非电信号转化为电信号。目前，市面上有接触和非接触两大类温度传感器可供挑选，接触类温度传感器可接触到被测体的内部，测量出的温度是准确的。目前市场上接触类传感器大多是铜电阻和铂电阻，铜电阻不仅价格便宜同时线性度很好，但也有不足，它不能在温度较高的环境下使用，因为在高温环境下易氧化。测温范围相对较小，所以铜电阻渐渐被铂电阻所取代，铂电阻的电阻率较高，有极强的耐氧化能力，且性能较为稳定。在热电阻测温中四线制接法测得的结果最为准确，精度得到了提高，引线电阻对温度测量的影响也随之消失，此方法比较适用于测量温度精度较高的环境^[2]。

在这个迅速发展的社会中，人与人之间的距离在不断缩小，通信改变了人们沟通交流的方式。通信主要就是对信息进行传输，无线传输技术的发展让我们告别了沟通只能靠见面的时代，与有线网络相对比，无线网络最大的优点在于不再需要布长长的线，这样不仅降低了产品设计的成本，且性能比有限网络更加稳定。在对一些特殊地段的工作中，恶劣的生态环境严重限制了用户的使用和工人的施工进程，有线传输中需要布很长的线进行通信的连接，这样不仅加大了施工的成本，施工周期就会变长，工程进度也会大打折扣，但是无线传输技术的使用可以使这一系列问题得到妥善的解决。因此无线技术的应用在给工农业的发展带来极大便利的同时，也助推了信息产业的快速发展，例如在检测高温锅炉时减少了高温对工人身体带来的伤害、在监控大棚温度时减小了农户的工作量、在家禽孵化周期中可以合理掌控室温，提高幼崽存活率。

为了加深我对传感器的认知以及掌握使用方法，故此设计了本测温系统。本文利用热电阻PT100，进行四线连接方式，以测量环境温度，实现了热电转换的过程，经过信号调理放大电路，将从机芯片采集测得的温度数据通过无线传输模块，由发射机发送到接收机，由主控芯片驱动显示电路工作，最后对得到温度数据进行保存，可由按键查看。

1.2 课题的国内外研究现状

1.2.1 测温元件的类型

市面上温度传感器的类型各式各样，大体上归为三大类：一是数字式温度传感器， DS18B20首当其冲，它是由美国研制的，测得的温度值可以直接显示在屏幕上，供使用者观察，并且编程简单，操作起来比传统热敏电阻更加便捷，DS18B20虽然可以进行快速的测温和直观的显示，但它也有不足之处，由于它自身的非线性比较大，所以无法提高测量的精确度。二是传统的模拟温度传感器，热敏电阻最为典型，虽然测温方式比较简单，但是它们的热惯性较大、反应缓慢，而且其内线性度在某些温度范围内效果不理想，所以须在其两端进行冷端补偿，因此严重影响了它的使用性能。三是集成模拟温度传感器，与上面介绍的两种传感器的相比，它具有更高的灵敏度，更好的线性度和更快的响应速度，综合使用性能较佳，所以工业上一般选用集成模拟温度传感器，美中不足的是其成本较高。

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