智能温度测量仪课程设计

一、系统功能说明

1.1主要技术指标

1）测温范围：-200～600摄氏度；

2）测温精度：0.5摄氏度；

3）稳定性：0.5摄氏度

1.2 PT100传感器

电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。

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0～600℃范围内：

Rt =R0 (1+At+Bt2)

在-200～0℃范围内：

Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)

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)

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。

1.2.1 PT100传感器特性

PT100温度传感器的测量范围广：-200℃～+600℃，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计即采用PT100作为温度传感器。

1.2.2 PT100传感器测量原理

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。采用Pt100 测量温度一般有两种方法：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；

测温原理：通过运放U1A将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为10），

即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。

根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“+”端和“-”端电位V+＝V-＝4.096V；假设运放U1A的输出脚1对地电压为Vo，根据虚断概念，（0-V-）/R1+（Vo-V-）/R

Pt100

＝0，因此电阻Pt100上的压

降V

Pt100＝Vo-V-＝V-*R

Pt100

/R1，因V-和R1均不变，因此图1虚线框内的电路等效为

一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V- /R1，Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻值有关。

设计及调试注意点：

1. 等效恒流源输出的电流不能太大，以不超过1mA为准，以免电流大使得Pt100电阻自身发热造成测量温度不准确，试验证明，电流大于1.5mA将会有较明显的影响。

2. 运放采用单一5V供电，如果测量的温度波动比较大，将运放的供电改为±15V双电源供电会有较大改善。

3. 电阻R2、R3的电阻值取得足够大，以增大运放的U1B的输入阻抗。

图1恒流源式测温电路

由于封装问题，实际原理图如下：

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。

测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V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。

设计及调试注意点：

1. 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；

2. 改变R5/R3的比值即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. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。

4. VR2也可为电位器，调节电位器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，当电位器阻值调至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位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。

5. 理论上，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*(R

Pt100/(R1+R

Pt100

)- R

VR2

/(R1+R

VR2

)) （1）式中电阻值以电路

工作时量取的为准。

6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波

动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据式（1）进行计算得知。

图2三线制接法桥式测温电路

1.3 AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

1.4 LCD显示器

液晶显示器是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT 显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。

二、系统总体设计

测温的模拟电路是把当前PT100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LCD显示器进行显示。

本设计系统主要包括温度信号采集单元，单片机数据处理单元，温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A/D转换电路。

系统的总结构框图如图1-1所示。