高精度测温系统的研制学士学位论文.doc

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毕业设计（论文）说明书
摘 要
温度的精密控制对现代企业生产的影响越来越深，而高精度的温度测量技术是决定温度控制精度的前提。随着温度控制精度的进一步提高，普通的测温传感器已经无法满足生产的需求，而且在现场的生产环境中存在大量的干扰，要求温度测量装置在满足高精度的前提下，还要求高稳定性和强抗干扰性。本文在综合多种的测温技术方案的前提之下，决定采用MC9S12XS128单片机为核心控制芯片，以非平衡桥来驱动三线制Pt1000铂电阻测温电路，并且对温度测量系统中涉及的非平衡电桥、信号调理电路、控制算法等部分的机构和原理进行了初步研究。系统通过单片机的片内A/D模块，把测温电桥的输出信号采集到单片机内部，再设定和调试相关参数，把温度数据通过RS232串口线上传给上位机，再由上位机进行控制及相关参数的实时显示和记录。通过多次试验，该测温系统能够可靠的工作。
关键词：温度测量 单片机 RS232 电阻测温器
Abstract
Precise temperature control has the increasing influence on the modern enterprise producing, and high-precision temperature measurement technique is to determine the accuracy of temperature control of the premise. With the further improving of the precision of temperature control, the ordinary temperature sensor has been unable to meet production needs, and there is a lot of interference in the production environments. The temperature measuring devices has to meet the requirements under the premise of high accuracy, high stability and strong anti-interference also should be considered. After comparing the variety of temperature measurement we decided to adopt MC9S12XS128 microcontroller as the core control chip, the three-wire Pt1000 platinum resistance drived by unbalanced bridge as temperature measurement circuit.
We studied signal conditioning circuitry, control algorithms and other parts of the body. The system sampled output signal of the bridge of the temperature to the internal microcontroller through A / D module, then set the relevant parameters, the temperature data via RS232 serial line to the host computer, and then be controlled by the host computer to display and to record related parameters. Through several experiments, the temperature measurement system can work reliably.

Keywords: Temperature detection, Microcontroller , 232 Bus , RTD (Resistance Temperature Detector )

摘 要 1
ABSTRACT 2
第一章 绪论 6
1.1研究背景 6
1.1.1 温度传感器的概念 6
1.1.2 温度测量的意义 6
1.1.3 常用温度传感器的分类 6
1.1.4 温度测量控制技术的国内外研究现状 7
1.2 基于Pt1000的高精度温度采集系统 8
1.2.1研究意义 8
1.2.2待解决的问题 8
1.3本文研究内容 8
第二章 传感器、单片机及开发工具 10
2.1 热电阻 10
2.1.1 热电阻的组成结构 10
2.1.2 工作原理 10
2.1.3热电阻接线 10
2.2 热电阻Pt1000介绍 11
2.3.2时钟模块 13
2.3.3看门狗 13
2.3.4中断模块 13
2.3.5串口通讯SCI模块 14
2.3.6 模数（A/D）转换模块 14
2.4 Codewarrior5.0开发环境介绍 15
2.5 Protel DXP 2004 集成环境 16
2.6基于Visual Basic 6.0的上位机系统 17
第三章 温度测量系统的设计 22
3.1 温度测量系统概述 19
3.2 温度采集系统的基本原理 19
3.3上位机与测温探头通讯示意图 19
3.4测温探头主要模块 20
3.4.1测温探头的硬件模块 20
3.4.2测温探头的软件模块 21
第四章 测温探头的硬件设计 22
4.1电源管理模块 22
4.2恒压源模块 22
4.3 非平衡电桥 23
4.4温度信号处理模块 24
4.5 RS232通讯模块 26
4.6 单片机最系统模块 27
第五章 测温探头的软件设计 28
5.1程序流程图 28
5.2温度采样 28
5.3程序滤波 29
5.4线性化补偿 29
5.5 RS232传输 29
第六章 实验数据及参数 30
6.1温度测量 30
6.1.1 温度与温标 30
6.1.2 温度测量的主要方法 30
6.2 Pt1000测温实验 31
6.2.1电阻箱标定 31
6.2.2 温度采集及RS232通讯实验 32
6.3 热电阻Pt1000测温电路调试体会 33
第七章 总结与展望 34
致谢 35
参考文献 36
附录1 37
附录2 38
附录3 39
附录4 40
第一章 绪论
1.1研究背景
1.1.1 温度传感器的概念
温度传感器是指能感受温度并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。温度传感器将检测到的温度信息按一定形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要前提。温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
1.1.2 温度测量的意义
温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此温度是一个十分重要的物理量,研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度:如大气及空调房中温度的高低,直接影响着人们的身体健康；在大规模集成电路生产线上,环境温度不适当,会严重影响产品的质量；恒温育苗室内温度的控制对育苗的质量影响也很大。
温度传感器作为在各种控制场合经常使用的传感器，它的性能好坏会直接影响到系统性能。因此，要选择适当的传感器，不仅要掌握各种类型传感器的结构、原理及性能指标，还必须懂得传感器的信号应该如何获取、处理。现在越来越多的传感器被用于各个领域，且为了提高自身的功效、时效及生产力，各领域的专家们也在自主研发适用于该领域的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
1.1.3 常用温度传感器的分类
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类:
接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。
非接触式温度传感器，它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。
1.1.4 温度测量控制技术的国内外研究现状
温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。在温度测量方面各国均取得了很多成果,其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃,理论上可达0.00001℃,而且在-40℃~230℃范围内具有温度与频率的线性特性;日本利用所谓石英温度频率转换器-80℃~200℃的温度范围,最大分辨率达0.0001℃;美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计,电桥分辨0.00002℃;我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃,误差在0.05℃以内,中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为0.5%,快速响应时间小于0.013s。
传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展,其应用范围更加拓展。
1)薄膜温度传感器
在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。
2)辐射测温技术
随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技术得到了更多的应用。具体表现在:(1)测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展;(2)准确度和稳定性更高;(3)工作波段多样化, 可根据被测对象的特性选择;(4)从点测量发展到二维面测量;(5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点。
3)光纤测温技术
黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。
1.2 基于Pt1000的高精度温度采集系统
1.2.1研究意义
在工业和医学等诸多领域，高精度的温度测量都有着很广泛的应用。例如在炼铁生产中, 操作人员经常要检测和观察高炉冷却水包的进、出水温差。该温差可反映高炉的完好和运行情况以首钢集团迁安钢铁厂高炉为例, 炉喉冷却水的进、出水温差应该在0. 3~ 0.7℃ , 如果进、出水温差超出这个范围, 工作人员就要采取相应措施; 如超过0.9℃ 就意味着出现事故, 人员可能就要撤离。因此水温差测量是炼铁过程中的一项重要工作, 水温差测量的精度要求也很高[6]。在煤矿和火电厂广泛应用的煤质分析仪中，需要对一定质量的煤燃烧后所导致的一定质量的水的温度变化进行精确测量，并根据水温变化幅度对煤的质量进行评估。
在医学上用于生命科学研究和基因诊断的PCR(聚合酶链式反应)热循环仪中，也同样需要对水或油的温度变化进行精确的测量。高精度的温度测量能够提高生产的安全性和产品质量。
1.2.2待解决的问题
精密化学、生物医药、精细化工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，而温度控制的核心正是温度测量。采用铂电阻测量温度是一种有效的高精度温度测量方法，但具有以下难点：引线电阻、自热效应、外部噪声的干扰、元器件漂移和铂电阻传感器精度。其中，减小引线电阻的影响是高精度测量的关键点。对于自热效应，根据元件发热公式P=I2R，必须使流过元件的电流足够小才能使其发热量小，传感器才能检测出正确的温度。但是过小的电流又会使信噪比下降，精度更是难以保证。此外，一些元器件和仪器很难满足元器件漂移和铂电阻传感器精度的要求。
1.3本文研究内容
本设计以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为温度采集系统的控制器，首先介绍了热电阻的基本原理，然后依次介绍单片机各个模块的功能，之后又分别简单介绍了CodeWarrior 5.0、Protel DXP及Visual Basic 6.0等软件，最后介绍了温度测量系统的总体设计及其相关模块，另外还设计了整个系统的程序算法。
第二章 传感器、单片机及开发工具
2.1 热电阻
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
2.1.1 热电阻的组成结构
金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结构等。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁—镍、钨、银等。薄膜热电阻是利用电子阴极溅射的方法制造，可实现工业化大批量生产。其中骨架用陶瓷，引线采用铂钯合金。
2.1.2 工作原理
热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。
2.1.3热电阻接线
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式：二线制、三线制、四线制，如下图所示：

图2.1(a) 两线制

图2.1(b) 三线制

图2.1(c) 四线制

两线制： 在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制，如图2.1(a)所示。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。
三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，如图2.1(b)所示，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。三线制要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知：
(2-1)
其中r为导线等效电阻，当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。
四线制: 在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，如图2.1(c)所示，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。四线制是当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。
2.2 热电阻Pt1000介绍

图2.1 Pt1000温度特性曲线

铂电阻传感器是利用金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。但铂在高温下，易受还原性介质的污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系，因此使用时应装在保护套管中。以铂电阻作为温度原件进行测温的关键是要能够准确的测量出铂电阻传感器的电阻值。通常使用的铂电阻温度传感器有Pt100，Pt1000，按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。其温度电阻特性是：
当-200℃<t<0℃
(2-2)
当0℃ <t<850℃
(2-3)
Rt为在t℃时的电阻值，R0为在0℃时的电阻值。TCR=0.003851时的系数值为：A=3.9083×10 ℃ B=-5.775×10 ℃ C=-4.183×10 ℃ ，从图2-2可看出Pt1000铂电阻传感器的线性度不错。
2.3 MC9S12XS128单片机
Freescale 公司的16位单片机主要分为HC12 、HCS12、HCS12X三个系列。HC12核心是16位高速CPU12核，总线速度8MHZ；HCS12系列单片机以速度更快的CPU12内核为核心，简称S12系列，典型的S12总线速度可以达到25MHZ。HCS12X系列单片机是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增强型产品，基于S12 CPU内核，可以达到25MHz的HCS12的2-5倍性能。总线频率最高可达40 MHz。S12X系列单片机目前又有几个子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。MC9S12XS128就是S12X系列中的一个成员。
2.3.1 HCS08 微控制器简介
MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。主要功能模块包括：
内部存储器 ；
内部PLL锁相环模块 ；
2个异步串口通讯 SCI ；
1个串行外设接口 SPI ；
MSCAN 模块 ；
1个8通道输入/输出比较定时器模块 TIM ；
周期中断定时器模块 PIT ；
16通道A/D转换模块 ADC ；
1个8通道脉冲宽度调制模块 PWM ；
输入/输出数字I/O口 。
2.3.2时钟模块
MC9S12XS128单片机中有两个不同的时钟，即外部晶振时钟、总线时钟。由于MCU的支撑电路一般需要外部时钟源向MCU提供时钟信号，由于过高频率的外部时钟容易受到干扰，则一般外部时钟选择一般不能使用太高的频率。若要提高系统的运行速率，则可以通过内部的锁相环(PLL)技术来提高系统的总线时钟频率。本系统采用的是16.00MHz的外部晶振，因此外部晶振时钟为16.00MHz；通过相关设置，总线时钟64.00MHz，外部晶振时钟的倍、分频关系由PLL的先关寄存器决定。总线时钟用作片上外围设备的同步，它决定了指令执行的速度。具体设置过程可以参考MC9S12XS128数据手册。
2.3.3看门狗
看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就回给出一个复位信号到RST使MCU复位,防止MCU死机使程序运行的更加稳定，可以在程序溢出的情况下重启，不会因为外界的干扰（静电、电磁干扰等）而死机。
2.3.4中断模块
中断系统是MCU实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部的事件发生时，中断系统将迫使CPU暂停当前执行的程序转而去进行中断事件的处理，等到中断事件处理完毕后，又返回断点处继续执行。MCU在进行实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送时往往采用中断系统。中断系统的应用大大提高了计算机效率。不同的计算机其硬件结构和软件指令是不完全相同的，因此，中断系统也是不相同的。计算机的中断系统能够加强CPU对多任务事件的处理能力。中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一，它在系统中起着通信网络作用，以协调系统对各种外部事件的响应和处理。MC9S12XS128基本上每个模块都带了中断，本系统用到SCI中断（串口中断）。
2.3.5串口通讯SCI模块
从基本原理的角度看，串行通信接口SCI的主要功能是：接收时，把外部的单线输入的数据变成一个字节的并行数据送入MCU内部；发送时，把需要发送的一个字节的并行数据转换为单线输出。为了设置串口通讯的波特率，SCI应具有波特率寄存器。为了能够设置通信格式、是否校验、是否允许中断等，SCI应具有相应的控制寄存器。而要知道串口是否有数据可收、数据是否发送出去等，需要有SCI状态寄存器。当然，若一个寄存器不够用，控制与状态寄存器可能有多个。而SCI数据寄存器存放要发送的数据，也存放接受的数据，这并不冲突，因为发送与接收的实际工作是通过“发送移位寄存器”和“接收以为寄存器”完成的。编程时，程序员并不直接与“发送移位寄存器”和“接收移位寄存器”打交道，只与数据寄存器打交道，所以MCU中并没有设置“发送移位寄存器”和“接收移位寄存器”的映像地址。发送时，程序员通过判定状态寄存器的相应位，了解是否可以发送一个新的数据。若可以发送，则将待发送的数据放入“SCI数据寄存器”中就可以了，剩下的工作由MCU自动完成：将数据从“SCI数据寄存器”送到“发送移位寄存器”，硬件驱动将“发送移位寄存器”的数据一位一位地按照规定的波特率移到发送引脚TxD，供对方接收。接收时，数据一位一位地从接收引脚RxD进入“接收移位寄存器”，当收到一个完成字节时，MCU会自动将数据送入“SCI数据寄存器”，并将状态寄存器的相应位改变，供程序员判定并取出数据
MC9S12XS128含有两个SCI串口通讯模块,本系统利用SCI串口通讯发送模块将温度信息发送给上位机,通过SCI串口通讯接收模块响应上位机的各种操作。
2.3.6 模数（A/D）转换模块
A/D转换模块（Analog To Digital Convert Module）即模数转换模块，其功能是将外部的电信号转换相应的数字信号。在实际使用中，这个信号可能使温度、湿度、压力等的物理量经过传感器和相应的信号调理电路转化而来的。经过A/D转换之后送给MCU就可以进行相应的处理了。A/D转换器中有积分型和逐次逼进型的转换器，其中积分型的A/D转换器的精度高，但是转换速率低。而逐次逼近型A/D转换器转换速率高，常用于MPU中。对于A/D转换器而言，其转换精度是一个重要的指标，它是指数字量变化一个最小量时模拟量对应的变化量，也就是我们常说的采样位数。常用的采样位数有8位、10位以及12位。设采样位数为N，模拟电压量为V，则最小的采样精度为。而采样速率是指完成一次A/D采样所花费的时间。一般MCU中完成一次采样要花费15—20个指令周期。在对采样的数据进行处理时，为了使采样的数据更加准确，必须对数据进行滤波处理。其中最常用的滤波算法有中值滤波和均值滤波。此外，在使用一些特殊的传感器来实现特殊功能时，还要采用其他的滤波算法。
对于本设计中使用的MC9S12XS128单片机而言，它包含16路8位、10位和12位可选的A/D转换模块通道，还有4个用来与外部信号同步进行A/D转换的外部触发转换通道ETRIG3-ETRIG0，触发方式（电平触发和边沿触发）可以自行设定。具体使用可以参见MC9S12XS128的数据手册。
2.4 Codewarrior5.0开发环境介绍
CodeWarrior Development Studio（开发工作室）简称CW环境是Freescale公司开发的面向Freescale MCU与DSP嵌入式应用的商业软件工具，其功能强大，是Freescale向用户推荐的产品。CodeWarrior分为3个版本：特别版、标准版和专业版，其中特别版是免费的。在CW环境下可以编制并调试XS128 MCU的汇编语言、C语言和C++语言程序。CodeWarrior包括编译器、源码浏览器、搜索引擎、构造系统、调试器、工程管理等功能模块。其中编辑器、编译器、连接器和调试器对应开发过程的四个主要阶段，其他模块可以用来支持代码浏览和构造控制，工程管理器控制整个过程。该集成环境是一个多线程应用，能在内存中保存状态信息、符号变和对象代码，从而提高操作速度；能够跟踪代码变化，进行自动编译和连接。图2.3 为CodeWarrior5.0的使用界面。

图2.3 CodeWarrior5.0使用界面

2.5 Protel DXP 2004 集成环境
Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司， Prate DXP 2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。之前比较流行的Protel 98、Protel 99 SE，就是它的前期版本。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本——Protel99相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。图2.4 是Protel DXP 2004的部分操作界面。

图2.4 Protel DXP 2004操作界面

Protel DXP 2004 的有如下特点：
1 、通过设计档包的方式，将原理图编辑、电路仿真、 PCB 设计及打印这些功能有机地结合在一起，提供了一个集成开发环境。
2 、提供了混合电路仿真功能，为设计实验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便。
3 、提供了丰富的原理图组件库和 PCB 封装库，并且为设计新的器件提供了封装向导程序，简化了封装设计过程。
4 、提供了层次原理图设计方法，支持“自上向下”的设计思想，使大型电路设计的工作组开发方式成为可能。
5 、提供了强大的查错功能。原理图中的 ERC （电气法则检查）工具和 PCB 的 DRC （设计规则检查）工具能帮助设计者更快地查出和改正错误。
6 、全面兼容 Protel 系列以前版本的设计文件，并提供了 OrCAD 格式文件的转换功能。
7 、提供了全新的 FPGA 设计的功能，这好似以前的版本所没有提供的功能。
2.6基于Visual Basic 6.0的上位机系统
Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言，它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。

图2.5（a） Visual Basic 6.0操作界面

图2.5(b) 温度测量监控界面

为了满足系统设计的需求，此上位机具备了多项功能。首先，其操作界面上有各种窗口界面，包括操作提示窗口和数据显示窗口。温度显示窗口以一秒钟刷新一次数据的速度实时更新温度值。在上位机界面的右侧有一系列按钮，分别是“开启”、“创建表格”、“记录数据”、“停止记录”、“波形显示”、“停止显示”、“关闭”和“退出”。中间位置主要是显示窗口，左边则是显示温度的波形的。打开上位机之后，首先点击“开启”按钮，此时操作提示窗口会显示：“您好，欢迎使用温度检测系统，系统正在连接中......请稍后”，当系统正常连接之后，会提醒：“系统连接正常”。然后，点击“创建表格”，系统会自动创建Execl表格，再点击“记录数据”，则系统开始记录温度数据。当点击“波形显示”之后，上位机界面的左边会实时显示温度的变化波形。当点击“停止显示”后，温度波形将不再显示。当点击“关闭”后，系统将中断与下位机（单片机）的通信，并且，操作提示窗口还会显示：“系统已关闭，谢谢使用”。最后，点击“退出”按钮后，上位机将会退出使用。
第三章 温度测量系统的设计
3.1 温度测量系统概述
温度测量系统由上位机软件系统、测温探头组成。上位机软件系统、测温探头之间的通过RS232总线进行通讯，图3.1为系统的设计框图。

图3.1为系统的设计框图
3.2 温度采集系统的基本原理
温度测量系统由上位机软件系统、测温探头组成，测温探头通过Pt1000铂电阻采集现场温度信号，并且通过串口线实现单片机与上位机的数据传送，把探头检测到的温度变化信号在上位机上实时显示和记录下来。上位机软件系统主要负责显示温度，并绘制当前温度曲线，通过建立excel表格保存历史温度值。
3.3上位机与测温探头通讯示意图

图3.2上位机与测温探头通讯示意图

RS-232是现在主流的串行通信接口之一，由于出现的较早，还是存在一些不足，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。而且传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。
3.4测温探头主要模块
3.4.1测温探头的硬件模块
测温探头硬件部分由热电阻外壳、电源模块、恒压源模块、温度信号放大处理模块、AD采样电路、RS232通讯模块、单片机MC9S12XS128最小系统。
1).单片机MC9S12XS128最小系统：其中MC9S12XS128单片机是系统的核心部分。它负责接收温度信息，并对这些信息进行处理。
2).电源模块：为各个电路模块提供电源，本系统采用的电源芯片为TL431、LM2940、LM7812。
3).恒压源电路：使加在测温电桥上的电压恒定，这样温度信号处理电路的输出电压与Pt1000的阻值成线性关系。
4).温度信号处理电路：使温度在0摄氏度的时候，进入AD转化器的模拟输入电压为0，从而实现初步调零。
5). AD采样电路：MC9S12XS128单片机自带8位、10位和12位AD模块，由于本系统对测温精度要求较高，所以本系统可以使用MC9S12XS128片内自带的12位AD模块。
6).RS232通讯电路：本系统通过RS232串口线实现上位机与底层单片机之间的数据交换，通过底层单片机对温度信号的处理之后，送到上位机进行显示和记录。
此外，还包括各种保护电路，增加系统运行的稳定性，测温探头实验板实物图如图3.3所示

图3.3（a） 测温探头铂电阻 图3.3（b） 电路实物图

3.4.2测温探头的软件模块
完成了系统的硬件电路的设计之后，接下来就是进行系统的软件部分的设计。系统主要依赖底层的单片机完成温度的测量。其中需要使用到的单片机资源包括：时钟模块、看门狗、中断模块、SCI模块。各个模块之间的关系见测温探头见总体设计款图的软件部分。
第四章 测温探头的硬件设计
4.1电源管理模块
全部硬件电路的电源由外部的多路辅助电源提供，由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此，电源模块包括多个稳压电路，将AC220V交流电压进过变压器降压整流得到各个模块所需要的初级直流电压，然后使用线性稳压芯片对其进行平波稳压，再输出给相应的模块。本系统采用的电源管理芯片为LM2940-5V是一款线性稳压电源芯片，LM2940 最大输出电流为1A ，输出纹波小，非常适合给单片机；采样用LM7812芯片给OP07运放供电，还使用德州仪器公司（TI）生产的TL431来给电桥提供一个恒压源，TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。具体电源系统管理示意图如图4.1所示。

图4.1 电源系统管理示意图

4.2恒压源模块
恒压源驱动电路负责驱动不平衡电桥，将Pt1000感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。本系统中，所需恒压源要具有输出电压恒定，温度稳定性好，输出电流小于1 mA(Pt1000无自热效应的上限)。德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。其输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。

图4.2 TL431代表性电路 图4.3恒压源电路

图4.3中,TL431与电阻R20串联，并通过电阻R21、R22分压，将输出的电压值反馈到TL431的参考端引脚