基于PT1000 的温度测量仪设计

一、设计目的和意义
温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的 一个物理量， 也是工业控制中主要的被控参数之一。对温度的测量与控制在现代 工业中也是运用的越来越广泛。 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控制、处 理和现实， 只有通过对传感器应用实例的分析了解，才能掌握传感器的开发和应 用。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。 温度传感器是其中重要的一类传器。其发展速度之快，以及其应用之广，且 还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，基于实用、广泛和典型的原则
五、设计结果及分析
实际测量结果如表 3 实际阻值-温度对照表
表 3 实际阻值-温度对照表
R（Ω） T 1000 T （ C） 000.00 R（Ω） T 1270
o o
1039 10.34 1308
1077 20.27 1347
1116 30.33 1385
1155 40.35 1422
1193 50.24 1460
2 2 2 R0 A 4 R0 B 4 R0 BRT R0 A
2 R0 B
（4）
T
3.9083 17.58480889-0.00231R T 0.001155
o
（5）
这样，得到铂电阻阻值后通过上式即可计算出相对应的温度。 本次设计要求测量温度范围为 0~120 C，根据这项要求得到下表：
图 5 A/D 转换电路
ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 （4）数据处理电路 通过 AT89C51 单片机对 ADC0808 处理后的数据进行分析计算以用作输出。 具体电路图如图 6 数据处理电路：
图 6 数据处理电路
AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 （FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位微 处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 （5）显示电路 使用 5 位 7 段共阴 LED 数码管对 AT89C51 处理后的数据进行显示。 具体电 路图如图 7 显示电路：
PT1000 温度 传感器 信号放大及 滤波电路 A/D 转换电 路
AT89C51 单片机
LED 显示电 路
图 1 系统结构总框图
四、系统设计
1、硬件设计 （1）温度测量电路 本方案采用惠斯顿电桥测量温度， 此种方法中电桥的四个电阻中三个是 恒定的，另一个用 Pt1000 热电阻，当 Pt1000 电阻值变化时，测试端产生一个电 势差，由此电势差换算出温度。测量电路图如图 2 惠斯顿电桥测量温度电路：
RT R0 (1 AT BT 2 ).
（1）
RT 为温度 T 时的铂电阻阻值，R0 为 0oC 时的铂电阻阻值，式中系数为： A=3.9083×10-3oC-1 B=－5.775×10-7oC-2 （2） （3）
这样，通过求解上式的反函数，就可以得到阻值和温度的对应关系：
T
带入数据得：
数据处理
数据输出
结束 图 11 数据处理程序流程图
本设计使用的 PT1000 热电阻铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而 改变。PT 后的 1000 即表示它在 0 ℃时阻值为 1000 欧姆，在 300 ℃时它的阻 值约为 2120.515 欧姆。它的工业原理：当 PT1000 在 0 摄氏度的时候它的阻 值为 1000 欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。 根据阻值求温度的方法有两种： 查表法和计算法。 查表法相对计算法速度快， 但精度低， 且占用一定数量的程序空间。如果对温度精度要求较高且程序存储器 资源有限，最好是用计算法。 铂电阻在在 0~850oC 时，其温度和阻值符合下面的函数关系：
根据要求， 本设计的测温模拟电路是把当前 PT1000热电阻传感器的电阻值， 转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给 A/D 转换器把模拟电压 转为数字信号后传给单片机 AT89C51，单片机再根据公式换算把测量得的温度 传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到 LED 数码管进行显示。 本设计系统包括了温度测量单元，信号处理单元，A/D 转换模块，数据处理 与控制模块，温度显示五个部分。 系统结构图如图 1 所示：
表 1 PT1000 温度-阻值对照
T （oC） 0 R（Ω） T 1000 T （oC） 70 R（Ω） T 1270
10 1039 80 1308
20 1077 90 1347
30 1116 100 1385
40 1155 110 1422
50 1193 120 1460
60 1232
根据实际测试， 记录并计算出 A/D 转换输出值 （ad_data） 处理后的数值 （cl） 与对应温度的函数关系，写入程序。
60 47 92.15
66.66
T （ C） 70 ad_data 49 cl 96.07 0~10 oC 10~20 C 20~70 C 70~80 oC 80~110 oC 110~120 oC
o o
综上，列写出 T 与 cl 的函数关系式： y1=2.55(x-66.66); y2=1.69(x-70.59)+10 ; y3=2.55(x-76.47)+20 ; y4=5.10(x-96.07)+70 ; y5=2.54(x-98.03)+80 ; y6=5.10(x-109.80)+110 ; （6） （7） （8） （9） （10） （11）
设计了本系统。
二、控制要求
1、使用 PT1000 设计放大测量电路，如桥式测量电路。 2、设计放大电路和滤波电路，使用 A/D 和 MCU 完成数据采集、处理显示。 3、搭建电路完成调试 4、分析结果 5、测量范围 0~120 度，精度 0.5 度。 6、实时显示温度，精确到两位小数。
三、设计方案论证
图 2 惠斯顿电桥测量温度电路
另一种方案采用恒流源测量电路的方法，通过电路提供一个恒流源，使通过 PT1000 的电流恒定不变， 即 PT1000 上产生的压降只与它自身阻值有关。 具体点 电路图如图 3 恒流源测量温度电路：
图 3 恒流源测量温度电路
考虑到电路的难易、 性能以及其他参数指标的计算方便与否，本次设计选用 了惠斯顿电桥测量温度的方法。 （2）信号放大电路（包括滤波电路） 使用 LM358 对 PT1000 上产生的压降进行放大，在这个电路中放大倍数为 10 倍。具体电路如图 4 信号放大及滤波电路：
1232 59.67
T （ C） 69.95 79.91 90.28 100.14 110.00 120.14 从上表可以看出，实际测量的值与理论值之间存在着一定的差距。造成这 种差距的主要原因是计算理论阻值-温度关系时对值进行了近似处理，而之后的 计算中同样存在大量近似处理。由此实际测量值和理论值之间存在着差距。 另外，电路的连接中，各个电阻的阻值不全是完全符合设计要求，这种情况 也会造成结果误差。
开始 初始化
读取 EOC 数据 N EOC=0? Y 数据处理
显示
结束 图 9 主程序流程图
（2）显示子程序 用于控制 LED 显示，流程图如下：
开始 选择显示位和显示数
延时
关显示
结束 图 10 显示程序流程图
（3）数据处理子程序 用于将 A/D 转换后的数据转换为对应温度输出，流程图如下：
开始 数据输入
图 7 显示电路
根据要求，显示最高位为百位，最低位为小数点后两位。 2、软件设计 软件部分分为延时子程序， 显示子程序，数据处理子程序以及主程序四个部 分。程序主流程图如下：
开始 系统初始化
PT1000 温度数据采集
处理读到数据
LED 显示
结束
图 8 系统总流程图
（1）主程序 用于控制单片机开关中断和调用子程序以实现数据的处理和显示， 流程图如 下：
六、结束语
本温度测量系统设计， 是采用 PT1000 温度传感器经过放大和 A/D 转换器送到
单片机进行控制温度显示。 经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要 求，由于受人为因素和软硬件的限制，系统难免不了带来一些误差，但通过调节 和精确计算可以减小误差。 通过这次温度测量仪的设计，我对温度测量控制有了进一步的了解和学习， 同时再次复习了 AT89C51 的使用。本设计的重点和难点是，怎样将 PT1000 检测 到的温度信号转化为单片机能够识别的电信号，为此我查阅了很多资料。同样在 绘制温度检测电路时我原本更加倾向于使用恒流源检测方式， 然而经过多次努力 都未能实现其恒流，最后还是选择了老师建议的桥式测量法。 通过本次设计， 我了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握单片 机的开发应用和编程控制，为今后的从事软件事业打下了坚实的基础。
图 4 信号放大及滤波电路
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 （3）A/D 转换电路 使用 ADC0808 对模拟信号进行转换，输入 AT89C51 进行处理。具体电路 图如图 5 A/D 转换电路：