4温度检测电路设计与调试解析.docx
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4温度检测电路设计与调试解析
6.1工作任务
【项目名称】温度检测电路设计与调试
【功能要求】
设计一个简单的由恒流源、Pt100铂电阻传感器、信号调理电路、A/D转换等电路等相关元器件构成的温度检测电路，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。
【设计要求】
1.以温度传感器PT-100作为温度变化的敏感元件，它利用阻值随温度而变化的特性来测量温度；
2.通过运放构成1毫安恒流源，将Pt100加在恒流源上实现恒温检测；
3.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。
4．利用Proteus仿真软件完成仿真电路输入、仿真和调试；
5.完成整个设计的实际电路连接。
6.4任务实施
6.4.1项目设计概况
本设计系统主要包括Pt100恒流源驱动电路、信号调理电路、A/D转换电路等三部分，结构示意图如图6-20所示。
选用精密电压源和高性能集成运放构成的恒流源驱动电路为铂电阻Pt100提供1mA电流源，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。
图6-20温度检测电路系统示意图
6.4.2Pt100恒流源驱动电路设计与仿真
（1）电路设计
Pt100恒流源驱动电路包括恒流源驱动电路、Pt100铂电阻传感器的四线制接口两部分。
1）恒流源电路
运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，温度传感器两端的电压即反映温度的变化，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6-21所示。
图6-21由运放构成的恒流源电路
放大器选用低温漂、低偏置、低功耗高精度双通道运算放大器OP200P，U1构成加法器，U2构成跟随器。
设电阻R5（Rref）的上下电压为Va、Vb，Va即为U1的输出，当电阻R1=R2=R3=R4=R0时，则Va=Vref+Vb，故恒流源的输出电流：
I=（Va-Vb）/Rref=Vref/Rref
从上式可以看出，由于Rref为恒定值，该电流大小只与参考电压Vref有关。
2）Pt100铂电阻传感器的四线制接口
pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。
Pt100分度表见表6-3所示。
表6-3Pt100分度表
温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
℃
电阻值（Ω）
-200
18.52
-190
22.83
22.4
21.97
21.54
21.11
20.68
20.25
19.82
19.38
18.95
-180
27.1
26.67
26.24
25.82
25.39
24.97
24.54
24.11
23.68
23.25
-170
31.34
30.91
30.49
30.07
29.64
29.22
28.8
28.37
27.95
27.52
-160
35.54
35.12
34.7
34.28
33.86
33.44
33.02
32.6
32.18
31.76
-150
39.72
39.31
38.89
38.47
38.05
37.64
37.22
36.8
36.38
35.96
-140
43.88
43.46
43.05
42.63
42.22
41.8
41.39
40.97
40.56
40.14
-130
48
47.59
47.18
46.77
46.36
45.94
45.53
45.12
44.7
44.29
-120
52.11
51.7
51.29
50.88
50.47
50.06
49.65
49.24
48.83
48.42
-110
56.19
55.79
55.38
54.97
54.56
54.15
53.75
53.34
52.93
52.52
-100
60.26
59.85
59.44
59.04
58.63
58.23
57.82
57.41
57.01
56.6
-90
64.3
63.9
63.49
63.09
62.68
62.28
61.88
61.47
61.07
60.66
-80
68.33
67.92
67.52
67.12
66.72
66.31
65.91
65.51
65.11
64.7
-70
72.33
71.93
71.53
71.13
70.73
70.33
69.93
69.53
69.13
68.73
-60
76.33
75.93
75.53
75.13
74.73
74.33
73.93
73.53
73.13
72.73
-50
80.31
79.91
79.51
79.11
78.72
78.32
77.92
77.52
77.12
76.73
-40
84.27
83.87
83.48
83.08
82.69
82.29
81.89
81.5
81.1
80.7
-30
88.22
87.83
87.43
87.04
86.64
86.25
85.85
85.46
85.06
84.67
-20
92.16
91.77
91.37
90.98
90.59
90.19
89.8
89.4
89.01
88.62
-10
96.09
95.69
95.3
94.91
94.52
94.12
93.73
93.34
92.95
92.55
0
100
99.61
99.22
98.83
98.44
98.04
97.65
97.26
96.87
96.48
0
100
100.39
100.78
101.17
101.56
101.95
102.34
102.73
103.12
103.51
10
103.9
104.29
104.68
105.07
105.46
105.85
106.24
106.63
107.02
107.4
20
107.79
108.18
108.57
108.96
109.35
109.73
110.12
110.51
110.9
111.29
30
111.67
112.06
112.45
112.83
113.22
113.61
114
114.38
114.77
115.15
40
115.54
115.93
116.31
116.7
117.08
117.47
117.86
118.24
118.63
119.01
50
119.4
119.78
120.17
120.55
120.94
121.32
121.71
122.09
122.47
122.86
60
123.24
123.63
124.01
124.39
124.78
125.16
125.54
125.93
126.31
126.69
70
127.08
127.46
127.84
128.22
128.61
128.99
129.37
129.75
130.13
130.52
80
130.9
131.28
131.66
132.04
132.42
132.8
133.18
133.57
133.95
134.33
90
134.71
135.09
135.47
135.85
136.23
136.61
136.99
137.37
137.75
138.13
100
138.51
138.88
139.26
139.64
140.02
140.4
140.78
141.16
141.54
141.91
110
142.29
142.67
143.05
143.43
143.8
144.18
144.56
144.94
145.31
145.69
120
146.07
146.44
146.82
147.2
147.57
147.95
148.33
148.7
149.08
149.46
130
149.83
150.21
150.58
150.96
151.33
151.71
152.08
152.46
152.83
153.21
140
153.58
153.96
154.33
154.71
155.08
155.46
155.83
156.2
156.58
156.95
150
157.33
157.7
158.07
158.45
158.82
159.19
159.56
159.94
160.31
160.68
160
161.05
161.43
161.8
162.17
162.54
162.91
163.29
163.66
164.03
164.4
170
164.77
165.14
165.51
165.89
166.26
166.63
167
167.37
167.74
168.11
180
168.48
168.85
169.22
169.59
169.96
170.33
170.7
171.07
171.43
171.8
190
172.17
172.54
172.91
173.28
173.65
174.02
174.38
174.75
175.12
175.49
200
175.86
176.22
176.59
176.96
177.33
177.69
178.06
178.43
178.79
179.16
210
179.53
179.89
180.26
180.63
180.99
181.36
181.72
182.09
182.46
182.82
220
183.19
183.55
183.92
184.28
184.65
185.01
185.38
185.74
186.11
186.47
230
186.84
187.2
187.56
187.93
188.29
188.66
189.02
189.38
189.75
190.11
240
190.47
190.84
191.2
191.56
191.92
192.29
192.65
193.01
193.37
193.74
250
194.1
194.46
194.82
195.18
195.55
195.91
196.27
196.63
196.99
197.35
260
197.71
198.07
198.43
198.79
199.15
199.51
199.87
200.23
200.59
200.95
270
201.31
201.67
202.03
202.39
202.75
203.11
203.47
203.83
204.19
204.55
280
204.9
205.26
205.62
205.98
206.34
206.7
207.05
207.41
207.77
208.13
290
208.48
208.84
209.2
209.56
209.91
210.27
210.63
210.98
211.34
211.7
300
212.05
212.41
212.76
213.12
213.48
213.83
214.19
214.54
214.9
215.25
310
215.61
215.96
216.32
216.67
217.03
217.38
217.74
218.09
218.44
218.8
320
219.15
219.51
219.86
220.21
220.57
220.92
221.27
221.63
221.98
222.33
330
222.68
223.04
223.39
223.74
224.09
224.45
224.8
225.15
225.5
225.85
340
226.21
226.56
226.91
227.26
227.61
227.96
228.31
228.66
229.02
229.37
350
229.72
230.07
230.42
230.77
231.12
231.47
231.82
232.17
232.52
232.87
360
233.21
233.56
233.91
234.26
234.61
234.96
235.31
235.66
236
236.35
370
236.7
237.05
237.4
237.74
238.09
238.44
238.79
239.13
239.48
239.83
380
240.18
240.52
240.87
241.22
241.56
241.91
242.26
242.6
242.95
243.29
390
243.64
243.99
244.33
244.68
245.02
245.37
245.71
246.06
246.4
246.75
400
247.09
247.44
247.78
248.13
248.47
248.81
249.16
249.5
245.85
250.19
410
250.53
250.88
251.22
251.56
251.91
252.25
252.59
252.93
253.28
253.62
420
253.96
254.3
254.65
254.99
255.33
255.67
256.01
256.35
256.7
257.04
430
257.38
257.72
258.06
258.4
258.74
259.08
259.42
259.76
260.1
260.44
440
260.78
261.12
261.46
261.8
262.14
262.48
262.82
263.16
263.5
263.84
450
264.18
264.52
264.86
265.2
265.53
265.87
266.21
266.55
266.89
267.22
460
267.56
267.9
268.24
268.57
268.91
269.25
269.59
269.92
270.26
270.6
470
270.93
271.27
271.61
271.94
272.28
272.61
272.95
273.29
273.62
273.96
480
274.29
274.63
274.96
275.3
275.63
275.97
276.3
276.64
276.97
277.31
490
277.64
277.98
278.31
278.64
278.98
279.31
279.64
279.98
280.31
280.64
500
280.98
281.31
281.64
281.98
282.31
282.64
282.97
283.31
283.64
283.97
510
284.3
284.63
284.97
285.3
285.63
285.96
286.29
286.62
286.85
287.29
520
287.62
287.95
288.28
288.61
288.94
289.27
289.6
289.93
290.26
290.59
530
290.92
291.25
291.58
291.91
292.24
292.56
292.89
293.22
293.55
293.88
540
294.21
294.54
294.86
295.19
295.52
295.85
296.18
296.5
296.83
297.16
550
297.49
297.81
298.14
298.47
298.8
299.12
299.45
299.78
300.1
300.43
560
300.75
301.08
301.41
301.73
302.06
302.38
302.71
303.03
303.36
303.69
570
304.01
304.34
304.66
304.98
305.31
305.63
305.96
306.28
306.61
306.93
580
307.25
307.58
307.9
308.23
308.55
308.87
309.2
309.52
309.84
310.16
590
310.49
310.81
311.13
311.45
311.78
312.1
312.42
312.74
313.06
313.39
600
313.71
314.03
314.35
314.67
314.99
315.31
315.64
315.96
316.28
316.6
610
316.92
317.24
317.56
317.88
318.2
318.52
318.84
319.16
319.48
319.8
620
320.12
320.43
320.75
321.07
321.39
321.71
322.03
322.35
322.67
322.98
630
323.3
323.62
323.94
324.26
324.57
324.89
325.21
325.53
325.84
326.16
640
326.48
326.79
327.11
327.43
327.74
328.06
328.38
328.69
329.01
329.32
650
329.64
329.96
330.27
330.59
330.9
331.22
331.53
331.85
332.16
332.48
660
332.79
PT100热电阻有二线制，三线制，四线制，其接线主要有三种方式：
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。
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方式。
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。
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。
二线制和三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。
四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值，本电路采用是四线制接法。
（2）电路仿真
Pt100恒流源仿真电路如图6-22所示，单击仿真开关“
”，电路进入仿真模式，通过电流探棒U2（POS-IP）可以看出，该电路可以实现1mA恒流输出。
图6-22Pt100恒流源仿真电路
Pt100恒流源驱动电路如图6-23所示，恒流源直接为RTD-PT100提供恒定1mA电流，单击仿真开关“
”，由于RTD-PT100默认温度为100℃，通过电压探棒RT2（S+）可以看出，V=0.139504V。
因为RTD-PT100温度为100℃时，其阻值为138.51Ω，根据欧姆定律可得：
V=IR=0.001*138.51=0.13851，约等于仿真输出结果，说明设计电路是可行的。
为了进一步验证电路可行性，分别改变RTD-PT100温度从-200℃—660℃，分别记录RTD-PT100转换输出的电压信号值，详见表6-4所示（限于篇幅，只记录-200℃—200℃之间输出结果）。
图6-23Pt100恒流源驱动电路调试
表6-4Pt100恒流源驱动电路调试输出结果
温度℃
℃
电阻值（Ω）
输出电压（V）
温度℃
℃
电阻值（Ω）
输出电压（V）
-200
18.52
0.1914
0
100
0.1010
-190
22.83
0.2325
10
103.9
0.1043
-180
27.1
0.2819
20
107.79
0.1081
-170
31.34
0.3244
30
111.67
0.1122
-160
35.54
0.3660
40
115.54
0.1164
-150
39.72
0.4130
50
119.4
0.1197
-140
43.88
0.4431
60
123.24
0.1243
-130
48
0.4928
70
127.08
0.1280
-120
52.11
0.5326
80
130.9
0.1311
-110
56.19
0.5722
90
134.71
0.1352
-100
60.26
0.6132
100
138.51
0.1395
-90
64.3
0.6524
110
142.29
0.1433
-80
68.33
0.6913
120
146.07
0.1471
-70
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