五、热电阻测温系统设计

热电阻测温系统设计

一、方案设计 1、方案一

设计一个恒流源通过Pt100 热电阻，通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度。此方案由测温电路，电压放大电路，A/D 转换电路及LCD 显示电路组成，

图1 方案一原理方框图

2、方案二

采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100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。

图2方案二原理图

两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。但是，方

案一采用单片机实验电路比较复杂，测量麻烦，故本次设计我们采取方案二。

温度采集 信号调理 D A 转换 单片机 显示

电源 温度 铂热

电阻

放大 电路 稳压 电路 结果

二、传感器工作原理

与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。下面以铂电阻温度传感器为例：Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

()[]010t t Rt Rt -+=α （1）

式中，Rt 为温度t 时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为：

t e Rt B A = （2） 式中Rt 为温度为t 时的阻值；A 、B 取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，其特点是测 量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。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。采用pt100测温一般有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。

① 二线制接法:这种接法不考虑PT100电缆的导线电阻，将A/D 采样端与电

流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。

② 三线制接法：这种接法增加了用于A/D 采样的补偿线，三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测量距离的场合。

③ 四线制接法：这种接法不仅增加了A/D 采样补偿线，还加了一条A/D 对地的补偿线，这样可以进一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。

三、电路的工作原理

图3 桥式测温电路

二线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。电流回路和电压测量回路合二为1。

电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096∨的参考电源：采用R1，R2，VR2，PT100构成测量电桥（其中R1=R2,VR2为100Ω精密电阻），当PT100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个ｍＶ级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3=R4，R5=R6,放大倍数=R5/R3.运放采用单一5V供电。

四、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

LM324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V o”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图4 放大电路

LM324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V o”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的相位相同。

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

图5 稳压电路

TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。其封装形式与塑封三极管9013等相同。

2、参数计算

PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～650℃范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2) （3）在-200～0℃范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) （4）式中A、B、C 为常数，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；

由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)（5）其中α=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。

3、器件选择

1、电阻R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；

2、电阻R5/R3的比值可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求；

3、VR2为滑动变阻器，调节滑动变阻器的阻值大小可以改变温度的零点设定，例如，PT100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当阻值调节到109.855Ω时，温度的零点就被设在了25℃。测量滑动变阻器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变；

4、运算放大器一个，运放输出的电压为输入压差信号*放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非由这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为 4.096*（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2))式中电阻值以电路工作时量取的为准。

5、电源Vcc,电容C1和TL431。它的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。当R1和R2的阻值确定时，两者对V o的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致V o下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时V o=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，