PT100高精度温度测量

仪器科学与光电工程学院

智能温湿度测量记录仪

研究报告

光信息科学与技术03级3班科技创新小组

1.研究意义

现在的精密测量和精密加工中，环境因素是影响精度的主要因素之一，其中的温度、湿度是环境的两项主要指标。当前，已经开发了很多温湿度测量系统，一些高精度温度传感器的精度可到±0.01℃，然而价格非常昂贵，一般只作为高分辨力的精度测量和用作测温仪器的标准。而对于生产应用中的较低精度温湿度测量系统，现有的系统多采用了与计算机直接结合的工作模式，增加了系统的成本。鉴于目前的情况，我们提出以价格低廉的单片机作为控制核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，构成了低成本的智能温湿度测量系统。在该系统中，根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温度点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、存储，实现温、湿度的智能测量。经初步预算，该系统的成本仅为数百元人民币，价格低廉。另外，该系统具有与计算机的通讯功能，在长时间数据采集完成后，可以将数据在传送到计算机进行相关的研究分析。因此，该系统即具有现有的计算机控制的智能测量功能，又节省硬件成本。另外，我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小，即可用于实验室环境温度的测量，又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。

其功能如下：

1.测量空间多点的温度和湿度：根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。

2.长时间测量数据记录功能：可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。

3.通讯功能：与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。采用此通讯方式成本低。将采集的数据传入计算机，在Windows环境下通过对温湿度数据进行分析，得出空间温度场和湿度场的分布情况。

要求达到的技术指标：

测温范围： -20℃～ 100℃

测温精度：±0.1℃

测湿范围： 0～100%RH

测湿精度：±3.5%RH

测量仪特点：

1．长周期数据自动记录

2．空间温度场、湿度场测量

3. 精度较高

4. 价格低廉

2. 研究内容

2.1 总体方案设计

以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度信号调理电路，湿度信号调理电路，A/D转换及滤波电路，数据存储及显示电路。选用的主要器件有：温度传感器

PT100

，湿度传感器HIH-4000-1，Atmel89C52，A/D 转换器ICL7109，数据存储器28C64或6264，液晶显示模块GXM12232E ，模拟开关CD4051，MAX232，高精度集成运算放大器OP07。

2.2 各部分电路设计

2.2.1温度信号调理电路

采用Pt100温度传感器，利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值有一定的函数变化,这个温度/阻值函数，需要用程序来实现。 其特点是精度高，稳定性好，适合于较高要求的工业、计量测试等使用要求。

Pt100传感器温度/阻值对应关系为：

（1）-200℃

图2.2.1是根据所选择的温度传感器而设计的调理电路。在该电路中，根据要求的温度测量范围-20℃——100℃及ADC 的满度电压-4.096V ——4.096V ，将放大电路的放大倍数控

湿度传感器

数据采集电路信号调理电路

单片机控制处理系统

存储扩展通讯扩展显示扩展其他扩展

温度传感器

图2.1 系统原理框图

Pt100温度传感器

图2.2.1 温度信号调理电路

制在100倍左右较为合适。这通过调节电位器

W2实现。在0℃是，应调节W1

，使电桥达到平

衡。

2.2.2湿度信号调理电路

选用的湿度传感器HIH-4000-1芯片内具有

信号处理功能，该传感器的线性电压输出可直接

输入A/D中。

该元件具有多层结构，能适应环境的不利因

素，像在潮湿，灰尘，污垢，油类等环境中具较

强的抗力。

另外该传感器还有精度高，体积小巧便于安装，响应时间短，互换性较好等优点。

可以根据该传感器的技术要求，由软件来实现温度补偿，提高测量精度，其特性曲线见图2.2.2.1。

HIH-4000电容式湿度传感器

图2.2.2.1 湿度传感器特性

图2.2.2.2 湿度信号调理电路

根据上述传感器特性曲线，设计了图

2.2.2.2所示的电路图。 2.2.3滤波电路及AD 转换电路 2.2.

3.1滤波电路

温湿度传感器的输出信号经过各自的信号调理电路之后，由于元器件，电缆线，电源等噪声的干扰，输出波形会发生变化。此时可根据系统的特性设置一低通滤波器，具体电路如图所示；一般系统要求在较稳定的环境下工作，信号的频率一般在几个赫兹以内即可。带通增益为1，此滤波电路的截止频率为5HZ 。

2.2.

3.2 AD 转换电路

A/D 是该系统中连接模拟部分和数字部分的纽带，把传感器部分的模拟信号转变成为单片机系统所需要的数字信号。考虑到仪器用于环境温度变化并非剧烈的情况下，传感器输出信号是较稳定的模拟信号，对ADC 的转换速率要求不高，可以选用高精度，低噪声，低漂移，低价格的12位双积分式A/D 转换器ICL7109。其输出数据为12位二进制数，配有较强的接口功能，可以较方便的连接各种微处理器。

2.2.4 数据存储，显示及通信电路

数据存储选用容量为8K BITE 的EEPROM28C64或静态RAM6264，二者的管脚可以兼容，在此电路中最大的区别是2864具有掉电保护功能，而6264在掉电后数据丢失。

对温度湿度最后测得的数据采用液晶模块GXM12231E 来显示，由8255A 对单片机进行I/O 扩展以后，8255A 的PA 口作数据口，PC 口的PC4，PC5，PC6作为控制口来与GXM12231E 连接，PB 则作为键盘扩展接口，键盘功能留待后续开发。

通信部分采用RS232串行通信方式，采用MAX232芯片，将采集的数据传送到PC 机，对温湿度数据进行曲线分析。这部分详细电路见附件2。

2.3 软件设计

图2.2.3.1二阶低通滤波电路

图2.2.3.2