基于PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究

入偏置电流小 ,精度高 ,增益设置和调节简单 。在 AD620的 1脚和 8脚之间外接一个电阻 RG 就可以 设置放大电路的增益 ,增益 G = 1 + 49. 4 kΩ /RG。
系统的测量范围是 0 ℃～100 ℃, PT100对应的电 阻值为 100Ω～138. 51Ω,由恒流源电路可知 , PT100对 应的输出电压也是调理电路的输入为 170. 67 mV ～ 236. 39 mV,调理电路的输出电压为 0 V ～5 V。因此 , 调理电路应完成输入电压与输出电压的对应变换 ,即 170. 67 mV 与 0 V、236. 39 mV 与 5 V、236. 39 mV 170167 mV = 65. 72 mV 与 5 V 的对应变换。由以上分 析可知 ,两级放大电路的总的增益为 G = 5 /0. 065 72≈ 76。第一级放大电路的增益确定为 - 19倍 ,第二级为
基于 PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究
张修太 13 ,胡雪惠 2 ,翟亚芳 1 ,秦长海 1 ,张继军 1
1. 安阳工学院电子信息与电气工程系 ,河南 安阳 455000; 2. 信阳师范学院物理电子工程学院 ,河南 信阳 464000
摘 要 :介绍了温度采集系统的硬件 、软件设计和实验研究 。系统由下位机和上位机构成 ,下位机硬件主要由温度传感器
PT100、由仪用放大器 AD620构成的调理电路 、A /D转换器 MAX197和微控器 AT89S52构成 ,上位机为 PC机 。下位机软件用 C言语编写 ,上位机软件用 VB6. 0设计而成 。在恒流源的激励下 , PT100的阻值随温度的变化转换成电压的变化 ,调理电路对 电压信号进行放大 、变换 ,输出 0 V ～5 V 的标准信号 ,经 A /D 转换送下位机 ,再通过串行通信上传给 PC机进行存储 、显示和 图形化 。系统采用分段线性化算法 ,利用 MATLAB软件进行最小二乘法线性拟合 ,得到不同温度区间上的标度变换算法 。与 W ZPB - 1型标准铂电阻温度计的对比实验结果表明该系统的测量精度优于 ±0. 1 ℃,系统工作稳定 、可靠 。
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传 感 技 术 学 报
温度与阻值的关系不是线性关系 ,为提高测量精度 , 应进行分段线性化处理 , 在较小的温度范围内用式 T =AR - B 进行近似表示温度与阻值的关系 ,用最 小二乘法进行线性拟合 。可以用 MATLAB7. 0 的 polyfit (R, T, 1)命令进行拟合 。 3. 1 温度与电阻关系式的拟合
Abstract: The design and experimentation of hardware and software of temperature acquisition system based on PT100 are introduced. This system is comp rised of the upper computer which is personal computer and the lower computer which is mainly composed of temperature sensor, conditioning circuits made up of instrum entation amp li2 fier AD620, A /D convertorMAX197 and m icrocontroller AT89S52. The softwares of the upper computer and lower computer are designed based on VB6. 0, and the C - language respectively. The change of the PT100’s resistance w ith temperature is converted to voltage’s variety under excitation of constant current source. Conditioning circuit carries out the magnification and conversion of the voltage signal. The output standard signal from 0V to 5 V is transported to lower computer through A /D converter MAX197. The converted digital data are sent to upper com2 puter through serial communication and are stored in and disp layed graphic result on it. The scale conversion algo2 rithm which m eets the demand of p recision, is gained w ith the linear least squares during the different temperature section for the relation between resistance and temperature by the aid ofMATLAB. The comparative tests w ith W Z2 PB - 1 type standard p latinum resistor thermometer show that the m easuring accuracy of this system is better than ± 0. 1 ℃ between 0 ℃ and 100 ℃. The test results also show that this system is credible and stable. Key words: PT100; temperature acquisition; AD620; MAX197; MATLAB; least squares; linear fitting; scale conversion EEACC : 7230; 7320R
第 23卷
T1 = 2. 577 4R - 257. 793 0, 0 ℃～50 ℃ T2 = 2. 604 9R - 261. 025 0, 50 ℃～70 ℃ T3 = 2. 624 0R - 263. 468 3, 70 ℃～100 ℃ 三个模型最大理论误差分别为 0. 056 626 ℃、 0. 018 787 ℃和 0. 019 380 ℃,能够满足精度要求 。 3. 2 标度变换 由恒流源电路和调理电路可以知道 , A /D 转换 器的输入电压 Uad = GI ( R - R0 ) , Uad对应的数字量 为 AD , 由 模 拟 量 与 数 字 量 的 对 应 关 系 可 得 Uad /AD = 5 /4 096,根据线性拟合结果 T =AR - B ,可 以求得标度变换表达式 :
第 23卷 第 6期 2010年 6月
传感技术学报
CH INESE JOURNAL OF SEN SORS AND ACTUA TORS
Vol. 23 No. 6 Jun. 2010
The D esign and Exper im en ta l Study of High Prec ise Tem pera ture
该系统以铂热电阻 PT100 为温度传感器 ,测量范 围为 0 ℃～100 ℃,测量的分辨率为 ±0. 1 ℃。从 硬件电路和软件算法设计上保证了测量精度和可 靠性 [1 ] 。
பைடு நூலகம்
收稿日期 : 2010 - 01 - 06 修改日期 : 2010 - 01 - 26
第 6期
张修太 ,胡雪惠等 :基于 PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究
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1 系统工作原理 [ 2 - 3 ]
系统的原理框图如图 1所示 。
图 1 系统原理框图
恒流源激励 PT100 产生的电压信号经过调理 电路转换成 0V ～5V 的标准电压信号 ,送给 A /D 转 换器 MAX197,转换的数字量送给单片机 AT89S52 计算出温度值 。DS1302 时钟电路为系统提供时间 和日期 。液晶显示模块 LCD12864 用以显示温度 、 时间和日期等信息 。测量的温度数据通过 RS232 串行总线上传给计算机进行存储和处理 。
图 3 信号调理电路
2. 3 A /D 转换电路设计 A /D 转 换 器 采 用 8 通 道 、12 位 转 换 器
MAX197,微控器选用 AT89S52,连接关系如图 4 所 示 。MAX197工作于内部时间模式 , REF输出一个 4. 096V 的基准电压作为恒流源参考电压 。
图 2 恒流源电路
关键词 : PT100;温度采集 ; AD620; MAX197; MATLAB;最小二乘法 ;线性拟合 ;标度变换 中图分类号 : TP273; TP274 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 1699( 2010) 06 - 0812 - 04
常用的温度传感器有热电阻 、热电偶 、热敏电 阻 、集成温度传感器和数字式温度传感器等多种 。 热电阻的测量精度高 ,性能稳定 ,使用方便 ,测量 范围宽 ,在高精度 、低温测量中占有重要的地位 。
- 4 倍。图 3 中的 R5 和 R6 构成的偏 置电 路实 现 170167 mV与 0 V的对应变换。
2 硬件电路设计
恒流源和调理电路的精度和稳定性直接决定着 整个系统的精度和稳定性 ,因此 ,这两部分是系统设 计的关键 。 2. 1 恒流源电路的设计 [ 4 - 6 ]
该系统采用高精度低失调电压的精密集成运放 OP07构成的恒流源电路 ,基准电压由 MAX197的参 考电压输出端提供 ,简化了恒流源的设计 。恒流源 电路与 A /D 转换电路使用同一个参考电压 ,参考电 源的漂移不会影响测量结果 。由恒流源电路图 2可 知 ,恒流源的电流 I = 4. 096V /2. 4 kΩ = 1. 707 mA。 该电流源的性能 ,除受电压基准和运放的性能影响 以外 ,还受电阻 R1 的温度稳定性和精度的影响 ,应 选择稳定性好的精密线绕电阻 ,并认真筛选 。
2. 2 信号调理电路 调理电路主要是由 AD620、OP07构成的两级放
大电路组成 ,如图 3所示 。AD620是仪用放大器 ,输
图 4 MAX197与单片机的连接
3 系统软件设计 [ 7 - 8 ]
PT100阻值与温度的关系 ,在 0 ℃～650 ℃范 围内为 R = R0 ( 1 + A t + B t2 ) , 其中 A、B、C 为常数 , R0 = 100Ω为 0 ℃时的阻值 , R 为温度 t时的阻值 。
Acqu isition System Ba sed on PT100
ZHAN G X iu ta i13 , HU X uehu i2 , ZHA I Yafang1 , Q IN Changha i1 , ZHAN G J ijun1
1. A nyang Institu te of Technology, D epartm ent of E lectron ic Inform a tion and E lectrica l Eng ineering, A nyang Henan 455000, Ch ina; 2. X inyang N orm al U n iversity, College of Physics and E lectron ic Eng ineering, X inyang Henan 464000, Ch ina
在 0 ℃～100 ℃区间上进行线性拟合 ,得到温 度与电阻关系模型 :
T0 = 2. 596 7R - 259. 915 7, 0 ℃～100 ℃ 该模型最大理论误差为 0. 2467 8 ℃,精度低于 ±0. 1 ℃,应对温度区间进行细分 。 把 0 ℃～100 ℃划分为 0 ℃～50 ℃、50 ℃～ 70 ℃、70 ℃～100 ℃三段 ,根据分度表 ,利用一阶最 小二乘法分别对各温度段进行拟合 ,得到温度与电 阻关系模型 :