电子设计报告--温度测量系统

2007年电子设计报告

设计说明书

设计题目：温度测量系统

专业：电子科学与技术

学生：

指导教师：

2007年6月3日

一、方案的比较与电路的选择

方案一：（晶体管3DG6作为温度传感器）

在现代工农业生产过程中，环境温度的测量和控制是极为普遍和重要的。为了提高生产效率，降低生产成本，寻求性能可*价格低廉，且应用广泛的元器件是生产过程的首选。本测量仪就是采用极为普遍的晶体管3DG6作为温度传感器，廉价的电压/频率转换器(V/F)LM331与AT89C51单片机组成的温度测量仪。它具有成本低，调校简便，自动补偿，测量精度高的特点。半导体理论和实验证明，在-50℃～+150℃的范围内，当发射结正偏时，不管集电结反偏还是零偏，在一定的集电极电流形式下，NPN硅晶体管的基极-发射极正向电压UBE随温度T的增加而减小。并有良好的线性关系，其电压温度系数约-2.1mv/℃。因此，晶体管3DG6不但可以作为通常的电子器件使用，而且也是一种价格低廉，取材方便，性能良好的温度传感器，抗干扰性差，数据处理复杂，数据存放空间大，受市场限制（衡阳市场无LM331）。

U1

3D G6

2

3

1

4

1

1

U2A

L M324

R1

R2R3

R4

VC C

至4051图1-1（3DG6温度采集电路）

图1-2（数据处理与调整电路）

参考资料：百度搜索

方案二：（热敏电阻测量）

如图2-1所示是一种常用的热敏电阻测量原理电路，由电源，电阻电桥，运放和输出四部分组成。电源部分包括R4，R6，C1，U1B。R4，R6 为分压电

路，C1主要滤除Vcc中的纹波，U1B为LM324运放，工作于电压跟随方式，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，为后级电桥提供稳定的电流。电桥由R1，R2，R3，R13及U2（热敏电阻）组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻阻值发生变化，电桥产生电位差。运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A组成，这是一种灵敏度高的电桥放大电路，放大倍数由R9/R8得到。输出电路由R5，R12，R14，D1组成，调节R14可以调整输出电压幅度。D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。其他电阻类传感器的工作原理与此相似，也可以分成以上几部分。热敏电阻的指数曲线特性难补偿，线性差。

图2-1（热敏电阻温度采集电路）

参考资料：

8051单片机实践教程编著：徐爱均电子工业出版社

方案三：（热敏电阻PT100）

该电路采用稳压恒流电路及电桥的组合，使得电路有较好的平衡性与灵敏性。由于Pt100的变化范围较小，所以前级的放大就十分的重要，要求前级误差小

U1A（TL082）稳压使避免了电源对电桥的影响，同时有十分准确的电压保证后级通过Pt100的电流恒定。后级的差分放大是对ΔUi的放大，通过调节R6就能对不同温度段进行精确的测量，同时R6还起到标定的作用。电路简单，测量精度高，Pt100的线性很好，测量范围为从－200℃～＋650℃。

图3-1（PT100温度采集电路）

总结：通过比较得出方案三可行性最好，外围电路简单，便于标定，好调节，精度高，线性好，便于计算，电路有较好的平衡性与灵敏性，测量范围为从－200℃～＋650℃。

（1）传感器的选择

温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。

热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。

由于本课题的任务要求测量的范围为20℃～70℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从－200℃～＋650℃。具体的分度特性表见附录I所示。

（2）CPU的选择

我们常用的CPU有STC89C51RC、STC89LE516AD、STC89LE58AD等我们本次设计只提供了STC89C51RC、STC89LE58AD，还STC89LE58AD有8位内部AD还为了简化外围电路选择了STC89LE58AD。

（3）A/D转化的选择

实验要求为0.1℃的精度，但是其分辨率在20℃～70℃只能达到0.2℃。本应选择10为的A/D。在智能仪表中，对一般的模拟信号处理为能被计算机所接受的数字信号，无外乎以下两种方式，要么A/D转换，要么V/F转换，对于在工业上对现场的信号需要远距离传送的信号，我们经常采用频率信号传输，但在本设计课题，我们用最常用的A/D转换作为我们模拟信号变换成数字信号的基本思路。对于A/D转换来说，最重要的2个技术指标是转换的速度以及转换的精度。由于本系统的分辨率指标为0.1℃，而测量的温度范围为0～400℃，因此必须采用12位以上的A/D转换器，对于速度，由于测量的物理量是温度，因此一般的都能满足，常用的12位以上的A/D转换器有ICL7135、AD574、TLC2543等，ICL7135、AD574由于与CPU的接口是并行接口，实验要求为0.1℃的精度，但是其分辨率在20℃～70℃只能达到0.2℃。本应选择10为的A/D，还STC89LE58AD内部带有A/D，使用起来方便，也简化了外围电路，且因市场的原因只能做粗糟些了。

（4）放大器的选择

放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据相关资料查阅，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图七所示，三运放中由A1、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1与A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。