摘 要：根据项目化教学的需要，利用PT100温度传感器设计一款单片机数码温度显示器。文中主要论述了PT100温度传感器的测温原理、软硬件实现方法以及项目实训过程。（本文原刊于煤矿开采2014年5月）
关键词：PT100温度传感器；运算放大器；IAP15F2K60S2；在线仿真
温度计是现实生活中一重要实用物品，将该产品进行项目化教学设计可极大提高学生的学习积极性。可将其分解为数码管显示子项目、定时器中断应用子项目、串行通信子项目、AD模数转换子项目，并可扩展按键输入、报警输出子项目。该项目基本包含了单片机教学的主要内容：输入/输出口应用、中断、定时器、串行口、模数转换等。通过项目分解，使学生掌握单片的基本结构、原理、程序设计与应用系统开发过程。每次实训结束后，多数学生都甚至想出资并强烈要求把自已的实训作品带走。若将该项目进行产品化可进一步推进单片机教学向生产性实训靠拢。
PT100铂热电阻00C时其电阻值为100Ω，1000C时电阻值为138.5Ω，其电阻值随着温度的升高近似线性增大，其阻值随温度变化的计算公式为：
-200 图1 PT100温度阻值线性化 0≤t<850℃ Rt=R0（1+At+Bt2） 由上述公式可看出PT100阻值与温度的关系接近于抛物线。为了减化编程，本实例中将PT100电阻和温度线性化，如图1在程序中把温度区间分段，分段区间内其电阻值与温度近似成正比，得 T=K（Rt -100）=K Rt -100K=K Rt –B 式（1） 由图1知K=100/（138.5-100）≈2.5974 统过改变其比例系数K并减去一修正常数B使其更接近于实际温度。这比查PT100阻值-温度关系分度表要容易的多，精确度也可实现较高。 图2是PT100的放大电路，PT100热电阻电压采样采用电阻分压桥式电路，TL431是稳压二极管，通过电阻R1使电压稳定在2.5V，避免电源电压的波动影响采样电压的稳定。PT100在零度时的电阻为100Ω，与电阻R2串联分压送运算放大器正向输入端；R3和R4分压送运算放大器负向输入端；理论上零度时正负输入端压差为0，随着温度的升高，每升高一度，PT100阻值增加0.390C，流过PT100的电流为1mA，即温度每升高一度，前级运算放大器正负输入端压差升高0.39mV。运算放大器采用LM258单电源运放，工作电压为+5V，即满量程输出为0～5V，为了避免放大倍后超过5V限幅，限定运算放大器输出幅宽4V。已知流过PT100的电流为Ii（1mA），Pt100的阻值为Rt。PT100在5500C的阻值为297.49Ω，取整数值300Ω。设放大倍数为A，计算A值如下。 Ii*（Rt-100）*A<4 0.39*10-3（300-100）*A<4 A<51 即放大倍数应小于51，取50，可测量温度范围为00C ～5500C。 设运算放大器输入压差为Vi，输出电压为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） 放大后的信号送单片机ADC0模数转换输入接口，通过8位AD转换将模拟电压Vo转换为数字量n。 Vo=V*n/256 已知单片机AD转换工作电压为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） 图2 PT100信号放大电路 由式（1）和式（4）可计算得出温度T。 若按上述规定温度测量范围为5500C，单片机AD采样用8位AD转换器，则其有效测量精度小于550/256，即测量精度大约20C。若要提高测理精度，可采用更高位AD转换器（比如12位AD转换器，有效测量精度550/4096，小于0.20C。），或缩小温度测量范围（00C ～500C），并增大运算器放大倍数。 IAP15F2K60S2单片机内部有一10位AD转换器。IAP15F2K60S2单片机不仅具有ISP/IAP在线编程功能，利用其内部的监控程序还可进行在线仿真，方便程序调试，又节省成本，特别适合教学。利用IAP15F2K60S2单片机的1.0模拟输入接口采集模拟信号，转换成数据信号后根据式（4）记算电阻值Rt，然后根据式（1）记算温度T。另外由于运算放大器和电阻误差的存在，根据实际温度将显示结果做微调。C3、C4是运算放大器LM258的电源滤波电容，C4是高频旁路电容，电容C6对运算放大器输出滤波。 考虑到ADC0809是单片机教学中常用模数转换接口芯片，项目中扩展了ADC0809接口芯片的应用，ADC0809芯片内部没有时钟电路， ADC0809的CLK为时钟输入端，其频率应小于640KHz，本实例中用单片机的定时器1产生一400KHz的时钟作为ADC0809的工作时钟。模拟输入使用通道IN0，转换后的数据输出到单片机的P0口。为了更好的理解ADC0809的模拟转换过程，在硬件和软件设计上没有采用总线方式，而是用单片机的三个I/O口分别产生地址锁存ALE/启动转换信号ST、转换结束判断信号EOC、允许转换结果输出信号OE。 图4 三极管符号及引脚图 显示电路采用数码管动太扫描方式，目的在于加强对单片机基础知识的理解。进一步理解数码管静态显示和动态扫描原理及应用，掌握数码管动态扫描编程。并在项目中增加了按键调整电路，报警电路，串口通信。项目实例基本包含了51单片机主要知识点。为了减小AD采样期间电源波动，在AD转换期间应避免单片机I/O口的状态变化，项目中用定时器T0每定时1ms采样一次，并对10次采样值求和取平均进行数值滤波。
实训过程中最好让学生利用Protel工具软件独立绘制电路原理图和PCB制板图。制作数码管、DC电源等SCH元件库，设计原理图，制作数码管、DC电源等PCB元件库，设计PCB制板图，输出CAM文件。进一步理解元器件在原理图中引脚排列和实际封装中的对应关系。比如PNP型开关三极管在电路原理图（图4）中的三个引脚1脚（发射极E，接电源Vcc）、2脚（基极B，接1K电阻）、3脚（集电极C，接数码管阳极公共端）与其实际封装中的三个引脚的对应关系。进一步增强对电路中元器件工作原理的理解能力。
在PCB图设计中，尽可能要求学生手工步线，在手动步线过程中，对照原理图中各元器件的线路连接关系，进一步检查各导线间的连接关系及步线的正确性，加深对电路的理解与应用，为后序的软硬件调试打好坚实基础。
图5 主程序
图6 定时器T0中断服务
对于焊接实训教科书中比较详细，不再赘述。由于学生焊接的熟练程度和技术能力有限，错误在所难免。如果把一块板子上的所有元器件都焊接完成，再调试检查硬件线路比较困难。我们在实训中的做法是先焊接成功一个小系统，比如本例中先点亮一个数码管，或先点亮一个数码管中的一段，设计对应的数码管闪烁测试程序，此阶段可不要求数码管显示数字，仅是让单片机动起来。这不仅有利于检查硬件线路，还提高了同学们的软件编程能力，提高同学们的硬件排除能力，增强自信力。然后再焊接其他数码管，同样要求学生一边焊接，一边测试，不提倡学生一次焊接多个元器件，直到四个数码管全部闪烁显示。这时可要求学生编写0-9的数码显示测试程序，比如先显示0123，一秒后再显示4567，再隔一秒显示890.1带小数点显示等，到此阶段显示电路制作完成。第二阶段推荐先焊接ADC0809模数转换芯片，编写对应的单片机测试程序，将ADC0809的通道IN0接地或接电源，检查其数字输出，测试ADC0809是否正常工作。最后焊接PT100和LM258运算放大电路，编写程序，测试软硬件。
IAP15F2K60S2单片机具有在线仿真调试功能，与下载器连接仅需4根线：电源、TxD、RxD和地。通过stc-isp-15xx-v6.63软件设置IAP15F2K60S2单片机为仿真芯片，可进行单步、断点、执行到命令行等调试。stc-isp-15xx-v6.63程序代码下载器软件内部集成串口调试、波特率、定时器常数计算及程序自动生成工具，可大大简化了编程工作量，提高编程郊率。采用USB调试接口，不需要在电路板中增加max232电平转换接口即可实现串行化数据显示及发送。
主程序主要实现定时器T0、定时器T1、串行口的初始化，调用显示子程序和温度计算子程序。定时器T0用于控制AD采样的频率，如图6，每50ms中断1次，中断20次1秒，实现每隔1秒单片机进行一次AD模数转换，并将转换数据保存在AD采样结果数组。定时器T1用于产生400KHz时钟，由其时钟输出口P3.4送模数转换结口ADC0809，用作ADC0809的时钟。定时器T1应禁止中断。串行口主要用作程序调试时的数据显示。温度显示用4位数码管动态扫描实现，扫描频率50Hz。
图7 温度计算
温度计算主要包括两个方面内容，如图7，一是对AD转换结果进行数值滤波处理，二是将处理后的数据向温度值转换。由于干扰的存在，在采样过程中会出现采样信号的波动，为了减小干扰造成的测量误差，项目中设置采样10次求平均值的方法进行滤波。在进行数值滤波操作之后，正如开篇所述，要将AD结果转换为温度，常用两种方法，查表法和公式法。查表法占用存储空间，编程比较麻烦，实现精度也不高；公式法比较简单，只需要确定比例系数K和修正偏差B即可。
在上述项目的基础上也可拓展声光报警电路、按键输入电路等。该项目不仅涵盖了单片机教学的基本知识点，又可在项目实训过程中强化编程训练，掌握程序调试技巧。通过调试各个模块程序，由小到大、逐步增加，然后调试主程序，再将各部分连接进行综和调试，培养学生的程序调试能力。总结来说，项目教学法是以学生为中心，以真实项目为载体，以培养学生的实际操作技能为目标，在整个过程中边实践边学习。将被动学习变为主动探索学习，让学生在学习过程中发现问题、思考分析问题、解决问题，提高学生的学习主动性和动手操作能力。（本文原刊于煤矿开采2014年5月）
作者简介
本文作者胡建波，1994年7月山东工业大学毕业，工程硕士，长期从事嵌入式教学与实践操作，主要研究方向为微型计算机开发与应用。
