热电阻测温仪设计实习报告.docx

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热电阻测温仪设计实习报告

1．实习目的

常用电子测量仪器的设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。

通过这次实习使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。

1．通过实习，加深对电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术、电子测量仪器等相关理论和应用技术的掌握，掌握电路设计和电路分析的基本方法，掌握常用电子测量原理及测量仪器设备的基本设计方法与制作。

进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；

2．培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；

3．培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。

2．实习内容

2.1实习的内容及要求

测量一般是指用仪表测定被测对象的物理量的工作过程。

电子测量一般是指利用电子技术和电子设备对电量或非电量进行测量的过程。

电子测量的内容有以下几个方面：

（1）电能量的测量，如测量电流、电压、功率等。

（2）电子元件和电路参数的测量，如测量电阻、电容、电感、品质因数以及电子器件的参数等。

（3）电信号的特性和质量的测量，如测量信号的波形、频谱、调制度、失真度、信噪比等。

（4）基本电子电路特性的测量，如测量滤波器的截止频率和衰减特性等。

（5）特性曲线的测量，如测量放大器幅频特性曲线与相频特性曲线等。

电子测量设备应具备有功能和精度两个方面的要求，常用的电子测量设备有示波器、万用表、红外测温仪等。

本次常用电子设备维护主要完成常用电子测量装置的设计及制作，掌握其电子测量原理及电子测量仪器设备的基本设计方法与制作。

设计题目：

热电阻的测温仪表设计

2.2热电阻的测温仪表设计的技术指标要求

（1）环境温度范围：

室温-20~60℃

（2）温度测量范围：

-20~500℃

（3）测量精度：

2.5%±1字

（4）显示：

LCD数字显示（1602LCD显示模块）以度为单位显示，显示分辨率0.1℃

3．系统方案

3.1基本原理

3.1.1热电阻特性

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。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

作为热电阻的金属材料一般要求：

尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：

铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。

利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫热电阻传感器，它主要用于对温度与温度有关的参量进行检测。

测量范围主要在中、低温区域（-200℃~650℃）。

随着科学技术的发展，使用范围也不断发展，低温方面已成功应用于1K~3K温度测量，而在高温方面，也出现了多种用于1000℃~1300℃的电阻式温度传感器，其测温元件可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。

金属热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的，其中，电阻体是此热电阻的最主要部分。

虽然各种金属材料的电阻率均随温度变化，但作为热电阻的材料，则要求：

电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大以便在相同灵敏度下减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在整个测量温度范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。

根据上述要求及金属电阻特性，目前使用最广泛的热电阻材料有铂和铜。

另外随着低温和超低温度测量技术的发展，已开始采用铟、碳、铑、镍、铁等材料。

铂热电阻主要作为标准电阻温度计广泛应用于温度基准、标准的传递。

其长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。

铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，铂的纯度通常用XX电阻比W（100）表示，即W（100）=R100/R0，式中R100为100℃时的电阻值，R0是0℃的对应的电阻值。

W（100）越高表明铂丝的纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，比值不得小于1.3925.铂丝电阻与温度的关系，即特性方程如下：

在0～650℃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；

R0是0℃的对应的电阻值；Rt是t℃的对应的电阻值；

由于铂是贵重金属，因此在一些测量精度不高的场合且温度较低的场合，普遍采用铜热电阻进行温度的测量，测量范围一般为-50℃~150℃。

在此温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，铜热电阻的特性方程如下所示：

Rt=R0（1+αt）

本次系统设计要求的测温范围-20℃~500℃，综合考虑之后，选择使用铂热电阻作为系统设计用的温度传感器。

3.1.2数字量与温度的关系

经过AD采集到数字量后，关键一步就是如何转化为相应的温度值。

一般有如下几种方法来进行确定数字量与温度之间的关系。

（1）特性曲线方程法

Rt为温度为t是的电阻值；R0为温度为0度时的电阻值，即100欧。

采用二阶或三阶方程的方法，理论上基本符合Pt100的温度-阻值特性曲线，但是由于高次方系数太小，一般使用单片机来进行温度的计算很困难，且耗费大量资源，程序的编写上也相当复杂，难以实现。

（2）线性拟合法

如果把Pt100的阻值看成是随温度线性变化，那么只要测出一组不同温度下的采到的数字量，根据温度值与数字量的关系拟合出一条一阶线性方程y=kx+b,求出k与b，即可实现从数字量到温度的转化。

相对前面的特性曲线方程法，很容易实现但是实际上在较大的温度范围内，Pt100的阻值变化并不是绝对线性的，在温度变化较大时就会体现出较大的误差。

（3）查表法

因为Pt100有现成的温度-阻值对照表，可以先把数字量转化为Pt100的电阻值，然后根据电阻值查表得到温度。

这种办法可以有效弥补Pt100的非线性误差，提高测量的精度。

然而表格上只有每隔1℃对应的阻值，零点几摄氏度小数点的温度无法查得。

对此，可以在11℃的间隔之间采用线性法算的。

即与前面的线性拟合法相比较，该方法能保证在Pt100的整个测温范围内都有较高的精度。

3.1.3显示值与A/D转换后的值之间的关系

我们采用的是线性拟合法，因为Pt100有现成的温度-阻值对照表，可以先把数字量转化为Pt100的电阻值，然后根据电阻值查表得到温度。

这种办法可以有效弥补Pt100的非线性误差，提高测量的精度。

因此，该方法能保证在Pt100的整个测温范围内都有较高的精度。

具体做法是先是算出AD转换的电压值U=everage（）*2.51/1024，其中的everage（）是AD转换值取100次平均值，然后计算出转换后的电阻值，公式为：

R=1000*U/8;是电压除以1ma,再除以八倍的放大倍数，最后通过查表得出温度值并在LCD上显示。

至于转换值，有3个公式：

T=2.5577*R-255.7930;这是温度在0-50度时的拟合公式；

T=2.6049*R-260.0250;这是温度在50-70度时的拟合公式；

T=2.6240*R-263.468;这是温度在70——100度时的拟合公式；

此外，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Rt=Rt0[1+α（t-t0）]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，铂的α=0.00392。

3.1.4PT100铂热电阻的特性和测温原理

（1）PT100铂热电阻特性

电阻式温度传感器（RTD,ResistanceTemperatureDetector）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0～650℃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。

PT100温度传感器的测量范围广：

-200℃～+650℃，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。

主要技术指标：

1.测温范围：

-200～650摄氏度；2.测温精度：

0.1摄氏度；3.稳定性：

0.1摄氏度

（2）测温原理

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案：

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。

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。

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。

本次实习我们采取方案一。

采用pt100测温一般有三种接线方式：

二线制、三线制、四线制。

图3-3（a）二线制（b）三线制（c）四线制

①二线制接法:

如图3-3a所示,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：

如图3-3b所示，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：

如图3-3c所示，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。

三种接线方式对测量精度的影响，连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效消除这种影响。

与热电阻连接的检测设备（温控仪、PLC输入等）都有四个接线端子：

I+、I-、V+、V-。

其中，I+、I-端是为了给热电阻提供恒定的电流，V+、V-是用来监测热电阻的电压变化，依次检测温度变化。

下图为接线方式不同对误差的影响程度：

（a）四线制（b）三线制（c）二线制

3.2原理框图

本实习以AT89S52单片机系统为核心，对单点的温度进行实时检测。

采用模拟温度传感器PT100对温度进行检测；采用串型模数转换器TLC1549进行A/D转换把温度信号调解转换为电压信号与AT89S52单片机接口设置LCD1602实时显示温度值。

本设计包括温度传感器、A/D转换模块、数据传输模块、温度显示模块四个部分。

本次设计以PT100热电阻为温度检测元件，设计了一个对单点温度实时检测的单片机温度检测系统。

用LCD1602进行显示，并且使用了10位的串行ADTLC1549进行转换。

3.3、硬件电路原理图

3.3.1整体电路图

3.3.2电源电路

本系统设计了三个电源系统，分别是7805构成的5V电源，7812和7912构成的+12V的电源，TL431构成的2.5V基准电源。

1．7812和7912构成的+12V电源

输入电压从JP4端口进入，JP4的1口接-15V，2口接地，3口接+15V，通过C7、C10滤波，MC7912ACT稳压得到一组稳定的±12V电压。

这一组电压将供给温度采集模块和运放电路。

2．7805构成的5V电源

将稳压出来的+12V再进行通过LM7805CT稳压出一个+5V的电压,并通过接口JP5作为输出口，这个电压将为单片机、A/DTLC1549和LCD液晶显示等电路供电。

3．TL431构成的2.5V基准电源

这个电源主要用来产生2.5V基准电压，供给给A/D的VREF+接口，保证A/D的基准电压准确误差小的特点，下图为TL431构成的2.5V基准电压源电路

TL431是三端可编程并联稳压二极管。

这些单片集成电路电压基准如同低温系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从Vref编程36V。

这个器件显示出宽工作电流范围，在典型动态阻抗0.22Ω时为1.0毫安至100毫安。

这些基准特性使他们能在数字电压表、电源和运放电路等许多应用中代替齐纳二极管。

2.5V参考是从5.0V逻辑电源可方便地获得稳定参考电压。

aTL431实物图BTL431电路符号

图3-7TL431结构

TL431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。

如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo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Vo=（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，Vo=5V。

需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。

图3-8TL431基准电压图

3.3.3恒流源电路

从上述关于PT100传感器测温原理可知，由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。

上述两种电路的结构形式见图3-所示。

A图单臂桥式B图恒流源式

图3-5两种信号获取的结构电路

根据测试技术的有关知识，图中的a图的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问题；而图B的由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。

恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图3-所示。

如图3-6恒流源电路

上图中，由于运放虚地的结果，造成OP-37的反相输入端等于正象输入端，而图中1K电阻的左下端由于运用三端稳压模块TL431，外加调整电路和电压跟随器，其两端的压降可调整为2.500V，而由于运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从1k电阻上流过的电流大小固定而且一定等于OP-37输出端流入温度传感器PT100的电流，从而达到恒流的效果，连接PT100两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的放大器。

这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关，图示1K电阻的精度及温度稳定性要好，我们采用的是一般的电阻（因为没有买到精密电阻）；还有是一定要选择输入阻抗高的运放，包括产生虚地处的运放（图中OP-37），否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果；最后一点是参考电压（图中是－2.5V）的稳定性要高，这里的参考电压采用是三端稳压模块TL431作为参考电压基准。

3.3.4温度采样电路及其误差分析

上图中，+12V的电压从①处输入供电。

由于运放虚地的结果，造成OP-37的反相输入端等于正象输入端，而图中1K电阻的左下端由于运用三端稳压模块TL431，外加调整电路和电压跟随器，其两端的压降可调整为2.500V，而由于运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从1k电阻上流过的电流大小固定而且一定等于OP-37输出端流入温度传感器PT100的电流，从而达到恒流的效果，连接PT100两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的放大器。

这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关，图示1K电阻的精度及温度稳定性要好，我们采用的是一般的电阻（因为没有买到精密电阻）；还有是一定要选择输入阻抗高的运放，包括产生虚地处的运放（图中OP-37），否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果；最后一点是参考电压（图中是－2.5V）的稳定性要高，这里的参考电压采用是三端稳压模块TL431作为参考电压基准。

3.3.5放大电路及其分析

①放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在放大器电路精选中，我们选择了OP37构成的负反馈放大，如图上所示。

我们采用的是同相比例放大电路，放大倍数由20K的滑动变阻器于R6来决定，放大倍数（1+RP/R1）可调。

放大器电源端的电容是对电源进行滤波减小电源纹波的影响。

②OP37的介绍

OP-37可提供与OP-27一样的高性能，但前者的设计针对增益大于5的电路进行了优化。

这一设计变更将压摆率提高到17V/s，并将增益带宽积提高到63MHz。

OP-37不仅具有OP-07的低失调电压和漂移特性，而且速度更高、噪声更低。

失调电压低至25V，最大漂移为0.6V/℃，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。

极低噪声（10Hz时en=3.5nV/Hz）、低1/f噪声转折频率（2.7Hz）以及高增益（180万），能够使低电平信号得到精确的高增益放大。

利用偏置电流消除电路，OP-37可实现±10nA的低输入偏置电流和7nA的失调电流。

在整个军用温度范围内，此电路通常可以将IB和IOS分别保持在±20nA和15nA。

输出级具有良好的负载驱动能力。

3.3.6A/D模数转换电路

工作原理：

在芯片选择（CS）无效情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。

当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。

串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。

I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。

开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。

TLC1549的时序图

　　在CS的下降沿，前次转换的MSB出现在DATAOUT端。

10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。

为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。

如果I/OCLOCK传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。

在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。

由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS被拉至低电平。

时序图如图所示。

应用介绍：

图3-13TLC1549理想转换特性曲线图

　　①此曲线基于下列假设：

VREF+和VREF-已被调整以便从数字0至1跳变的电压（VZT）为0.0024V，满度跳变电压（VFT）为4.908V。

1LSB=4.8mV。

　　②满度值（VFS）是指其额定中点（midstep）值具有最高的绝对值的那级台阶。

零度值（VZS）是指其额定中点（midstep）值等于零的那级台阶。

系统中TLC1549的接线图

3.3.7单片机AT89S52

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

本系统中采用的AT89S52最小系统电路图如图所示

单片机最小系统图

3.3.8显示电路

液晶TLC1549只要按照说明将对应的引脚接好接行了，其中DB0～DB7是接单片机P0端作为数据传输口，UEE接一个可调电阻是条件LCD的亮度，VCC接+5V电压，VSS接地。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

本系统采用16*2的液晶进行显示，1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。

图3-17LCD1602的实物图

本系统中与单片机的接口电路如下所示

3.3.9程序下载口

本次实验我们采用IDC10下载口进行ISP下载，下载线由实验室提供，以下是我们下载口电路的设计：

图3-22下载口电路图

其中一脚接单片机的P1.5脚，3脚悬空，5脚接单片机的复位脚，7脚和9脚分别接单片机的P1.6和P1.7脚，2脚接电源VCC，4脚、6脚、8脚、10脚全部接地。

3.3.10Protel电路PCB电路图：

1.前置电路

2.单片机控制系统

3.4软件设计

3.4.1流程图

3.4.2代码附录

#include

#include

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

//#definedfdoublefloat

//#defineA10.00390802

//#defineB10.0000005082

//#defineC18

sbitCLK=P2^4;//定义AD端口

sbitDOUT=P2^3;

sbitCS=P2^2;

sbitlcd_rs=P2^5;//定义lcd端口

sbitlcd_rw=P2^6;

sbitlcd_e=P2^7;

uinta1,a2,a3,a4,a5,a6;

uintcord,voltage,sum;//AD装换值

doubleF,R,U,T;

//uchartemp[];

uchartable1[]="0123456789";

ucharcodetable2[]="thet