基于PT100的温度测试仪.docx

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基于PT100的温度测试仪

部分

项目

得分

设计报告

设计方案与论证

5分

理论分析与软件说明

5分

主要电路说明、测试方法

6分

数据、结果分析

4分

合计

20分

基本部分

完成1项：

25分

完成2项：

25分

完成3项：

10分

合计

60分

发挥部分

其他扩展功能

20分

第一章概述

第二章设计方案与论证

本设计设计的温度测量系统是把热电阻信号通过传感器检测转变为电压信号，经过信号采集电路转换成A/D输入的标准信号。

之后A/D将模拟电压信号变转换成数字信号，然后送入单片机（MCU）进行处理和运算，单片机将处理的数据通过LED数码管显示。

整体方案设计流程图如下。

传感器选择

温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。

方案一：

采用模拟分立元件

如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。

方案二：

采用温度传感器  

通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LED显示温度。

热电阻也是最常用的一种温度传感器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃～850℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻Pt100作为传感器。

该方案采用热电阻Pt100做为温度传感器、OP07作为信号放大器，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。

相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。

在这里我选用方案二完成本次设计。

放大器选择

Op07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

宽的输入电压范围（最少±13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。

失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。

不加外调零措施的OP07的精度和稳定性，即使在高增益下也能使OP07成为一种新的仪器用和军用的工业标准。

OP07A和OP07适用于在-55℃到+125℃的整个军用范围内。

热电阻（PT100）接法

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。

目前热电阻的引线主要有三种方式：

1、二线制：

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：

这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

2、三线制：

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

3、四线制：

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

在本设计中热电阻采用三线制接法。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。

这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。

采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

第三章理论分析与主要电路说明

电源模块

电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源,它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。

它的基本工作原理为：

工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波、再次滤波后成为一稳定的直流电。

图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。

电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。

如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。

这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性。

本设计采用固定集成输出集成稳压电路，它主要由变压器（双6V，5W）、集成整流桥、集成稳压器LM7805（+5V）和LM7905（-5V）、极性电容（100uF和1000uF）构成。

如图5-1所示。

图5-1稳压电源

1）二极管（4个）：

组成全波整流桥电路，正半周期时右上和左下两个二极管导通，负半周期左上和右下两个二极管导通，使电压信号都位于ωt轴上方；

图5-2电压输入波形图5-3整流之后波形（i和u）

2）极性电容（4个）：

滤波作用，当电压信号逐渐增大时候向电容里充电，当电容里电荷达到一定时，停止充电，当电压信号低于电容存储的电荷的电压时，电容开始放电，放到一定程度又开始充电，周而复始，形成周期；

图5-3电容滤波电路

3）7805/7905:

稳压块，7805稳压输出+5V电压，7905稳压输出-5V电压。

采集模块

热电阻的阻值随温度的变化而变化，所以我们可以把热电阻的阻值变化转换成相应的电压信号，然后经过后续的放大电路将采集到的电压放大到一定倍数，被A/D采集并输入到单片机内部。

由于在实验室中恒流发生电路比较简单常用，而且电压信号采集简单、测量方便，所以本设计采用恒流源测电压方法实现热电阻和电压信号的对应关系。

恒流源电路可以产生1mA恒定电流，把热电阻Rt的阻值转换为电压信号Uo（Uo=Rt*1mA），如图3-1所示。

电压放大电路主要是把电压信号放大一定的倍数，能被A/D比较精确地采集到。

图3-1温度采集及信号处理电路

第一部分恒流源发生电路如图3-1（a）所示：

图3-1（a）恒流源发生电路

1）LM336-2.5稳压管：

稳压作用，将放大器3脚电压钳制到2.5V左右；

2）R12（2.4K）电阻：

根据“虚断”原理，U3=U2，I=2.5V/2.4K=1mA；

3）9012复合三极管：

又叫达林顿管，将β系数放大，即β=β2，使达林顿

管集电极和发射极电流相等，即Ic=βIb=I，从而大大减小Ib的值；

4）R14（10K）电阻：

保护前端放大器作用，防止Ib过大，进入运放6脚；

第二部分三线制处理及输出放大如图3-2（b）所示：

图3-1（b）三线制处理及输出放大电路

1）200Ω电位器代替Pt100，实验时将电位器调整至100Ω阻值；

2）R17、R20、R23：

理论上代替三根传输导线，令R17后面的电压为U1，R20后

面的电压为U2，R17=R20=R23=R'；所以

U1=I*（R17+Rt+R23）=I*Rt+2*R'……（

U2=U3=I*R'……（

根据方程（2*（U1-2*U2=I*Rt……（

从而推出放大器输入端信号与导线电阻无关（三线制最终目的）

3）后端运放：

根据“虚短”原理可以得出

U+=U-=U1*R13/（R16+R13）=U1/3……（

（Uo/（R19+R24）-U-）/R22=（U--U2）/R21……（

经（

Uo=11（U1-2*U2）……（

从而实现信号电压放大十倍的作用

A/D模数转换模块

2.3.1ICL7135功能介绍

ICL7135是一种四位半的双积分A/D转换器，可以转换出±20000个数字量选通控BCD码输出，与单片机接口十分方便。

它具有精度高（相当于14位A/D转换），价格低的优点。

其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：

自校准（调零），正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10001个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）。

故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数。

将计数的脉冲个数减10000，即得到对应的模拟量。

具体电路如图2.3所示。

图2.3A/D模数转换电路

图2.4给出了ICL7135时序，由图可见，当BUSY变高时开始正向积分，反向积分到零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。

图2.4ICL7135时序图

计数的时钟脉冲是由单片机的ALE引脚经过74HC393分频后得到的。

在平时，单片机ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲，若外部时钟为12MHZ，则ALE端输出的时钟频率为2MHZ。

由于ICL7135芯片在时钟脉冲为125KHZ时对50HZ工频干扰有较大抑制能力，此时转换速度为3次/s，故将ALE端的时钟脉冲经过74HC393芯片16分频后得到所需的125KHZ。

74HC393芯片如图2.5所示。

图2.574HC393芯片及电路图

2.3.2ICL7135引脚图

ICL7135为DIP28封装，芯片引脚排列如图2.6所示。

图2.6ICL7135芯片引脚图

2.3.3引脚含义及功能：

（1）与供电及电源相关的引脚（共7脚）　

．-V：

负电源引入端，典型值-5V，极限值-9V；

．+V：

正电源引入端，典型值+5V，极限值+6V；

．DGND：

数字地，ICL7135正负电源的低电平基准；

．REF：

参考电压输入REF的地为AGND引脚，典型值1V，输出数字量＝10000×（VIN/VREF）；

．AC：

模拟地，典型应用中，与DGND（数字地）＂一点接地＂；

．INHI：

模拟输入正，此设计中与恒流源连接；

．INLO：

模拟输入负，当模拟信号输入为单端对地时，直接与AC相连。

（2）与控制和状态相关的引脚（共12脚）

．CLKIN：

时钟信号输入，当T＝80ms时，fcp＝125KHz，对50HZ工频干扰有较大抑制能力，此时转换速度为3次/ｓ，极限值fcp＝1MHZ时，转换速度为25次/ｓ；

．REFC+：

外接参考电容正，典型值１μF；

．REFC-：

外接参考电容负；

．BUFFO：

缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻；

．INTO：

积分器输出端，典型外接积分电容；

．AZIN：

自校零端；

．LOW：

　欠量程信号输出端，当输入信号小于量程范围的10％时，该端输出高电平；

．HIGH：

过量程信号输出端，当输入信号超过计数范围（20001）时，该端输出高电平；

．STOR：

数据输出选通信号（负脉冲），宽度为时钟脉冲宽度的一半，每次A/D转换结束时，该端输出5个负脉冲，分别选通由高到低的BCD码数据（5位），该端用于将转换结果打到并行I/O接口；

．R/H：

自动转换/停顿控制输入，当输入高电平时；每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换；当输入为低电平时，转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲，才能启动下一次转换；

．POL：

极性信