【正文】 用的熱電阻如 PT100、PT1000 等。近年來(lái)各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如 DALLAS 公司 DS18B20，MAXIM 公司的MAX657MAX6577，ADI 公司的 AD7416 等，這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，如 DS18B20 該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MAXIM 公司的 2 種溫度傳感器一個(gè)為頻率輸出，一個(gè)為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而 ADI 公司的 AD7416 的數(shù)字接口則為近年也比較流行的 I2C 總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來(lái)了極大的方便，但這類器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的范圍太窄，一般只有55～+125℃，而且溫度的測(cè)量精度都不高，好的才177?！?一般有177。2℃左右，因此在高精度的場(chǎng)合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑銠鉑、銥銠 銥、鎳鐵鎳銅、銅 康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫范圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來(lái)自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過(guò)熱輻射能量來(lái)反映物體溫度的高低，這種測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，既可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度，又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相對(duì)較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問(wèn)題，而且其輸出受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。3由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的范圍為 0℃～100℃，測(cè)量的分辨率為177?！?，綜合價(jià)格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對(duì)較好的 PT100 作為本課題的溫度傳感器，具體的型號(hào)為 WZP 型鉑電阻，該傳感器的測(cè)溫范圍從－200 ℃～＋650℃。具體在 0℃～100℃的分度特性表見附錄 A 所示。第二節(jié) 方案論證溫度測(cè)量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。 方案二：采用溫度傳感器 通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后，送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò) LED 顯示溫度。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量范圍為200℃～650℃，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測(cè)量精確度是最高的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)最終選擇鉑電阻 PT100 作為傳感器。該方案采用熱電阻 PT100 做為溫度傳感器、AD620 作為信號(hào)放大器，TLC2543 作為 A/D 轉(zhuǎn)換部件，對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。相對(duì)與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。在這里我選用方案二完成本次設(shè)計(jì)。第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前 PT100 熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī) AT89S51，單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。另外，外接一個(gè)時(shí)鐘芯片 DS1302 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制，并將時(shí)間顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。4第四節(jié) 系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元，時(shí)間信號(hào)采集單元，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，時(shí)間、溫度顯示單元。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路（采樣） 、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖 11 所示。信號(hào)放大調(diào)理電路PT100 溫度傳感器A/D 轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘電路按鍵控制電路AT89S51 單片機(jī) LED 數(shù)碼管顯示電路圖 11 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖5第二章 硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) PT100 傳感器特性和測(cè)溫原理電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。PT100 溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0～650℃范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在200 ～0℃范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t100)t3)式中 A、B、C 為常數(shù)，A=103；B=107；C=1012；由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT) 其中 α=, Ro 為 100Ω(在 0℃的電阻值),T 為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為 PT100。PT100 溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：200℃～+650℃，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用 PT100 作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測(cè)溫范圍：200～650 攝氏度；2. 測(cè)溫精度： 攝氏度；3. 穩(wěn)定性： 攝氏度Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用 Pt100 測(cè)量溫度一般有兩種方案：方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò) Pt100 熱電阻，通過(guò)檢測(cè) Pt100 上電壓的變化來(lái)?yè)Q算出溫度。6方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用 Pt100 熱電阻，當(dāng) Pt100 電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。第二節(jié) 信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)變換成前向通道中 A/D 轉(zhuǎn)換器能識(shí)別的信號(hào)，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻 PT100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被 A/D 轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。第三節(jié) 恒流源電路 從上述關(guān)于 PT100 傳感器測(cè)溫原理可知，由 PT100 構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有 2 種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問(wèn)題，一般采用單臂橋；還有一種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過(guò)溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的結(jié)構(gòu)形式見圖 21 所示。A 圖單臂橋式 B 圖恒流源式圖 21 兩種信號(hào)獲取的結(jié)構(gòu)電路根據(jù)測(cè)試技術(shù)的有關(guān)知識(shí)，圖 21 中的 A 圖的輸出與電阻的阻值不是個(gè)正比的關(guān)系，因而數(shù)據(jù)處理起來(lái)特別麻煩，尤其是用單片機(jī)來(lái)處理這些非線性的問(wèn)題；而圖 B 的由于恒流7源的作用，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關(guān)系，因此，本系統(tǒng)采用恒流源電路來(lái)獲取溫度信號(hào)。恒流源電路的設(shè)計(jì)，有用三極管構(gòu)成的，有用專門的恒流管，也有用價(jià)格低廉的器件通過(guò)比較巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)成的，本系統(tǒng)是采用價(jià)格低廉的運(yùn)放為核心來(lái)構(gòu)成的，恒流效果十分理想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源電路見下圖 22 所示。R16 327 8532 6741U1OP07VR310kR17500R11PT100+12V12VVCC23圖 22 由運(yùn)放構(gòu)成的恒流源電路上圖中，由于運(yùn)放虛地的結(jié)果，造成 OP07 的反相輸入端為 0V，而圖中 電阻的下端由于運(yùn)用精密的電壓源 ，外加調(diào)整電路，該點(diǎn)電壓可調(diào)整為 ，而由于運(yùn)放的輸入阻抗極高，輸入端可以認(rèn)為不吸入電流，因此從 電阻上流過(guò)的電流大小固定而且一定等于 OP07 輸出端流入溫度傳感器 PT100 的電流，從而達(dá)到恒流的效果，連接PT100 兩端的壓差正好反映溫度變化的信號(hào)送入后級(jí)的放大器。這里值得注意的是恒流效果的好壞與下面幾個(gè)因素有關(guān)，圖示 電阻的精度及溫度穩(wěn)定性要好，我們采用的是高精度高穩(wěn)定的電阻；還有是一定要選擇輸入阻抗高的運(yùn)放，包括產(chǎn)生虛地處的運(yùn)放（圖中 OP07）和后級(jí)的放大器（圖中的 AD620） ，否則較大的輸入電流也將直接影響恒流的效果；最后一點(diǎn)是參考電壓（圖中是－）的穩(wěn)定性要高，這里的參考電壓采用是 作為參考電壓基準(zhǔn)。第四節(jié) 放大電路的設(shè)計(jì) 放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度也十分關(guān)鍵，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，如下圖 23 所示，三運(yùn)放中由 AA2 構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放8大器，后級(jí)為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件 R1 與 RR3 與 RR5 與 R6，還包括 A1 與A2 放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來(lái)解決剛才的參數(shù)匹配問(wèn)題已不是什么復(fù)雜的問(wèn)題。+A1+A2+A3R2R1R7R6R3R5R4VINVOUT圖 23 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖隨著近年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了不少專用的高性能的芯片，AD6AD623 就是具有上述描述的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了 AD620 作為放大器電路的首級(jí)放大。AD620 是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置 1～1000 倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)（如 ECG 檢測(cè)和血壓監(jiān)視） 、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由 OP07 組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，性能大大優(yōu)于自制的三運(yùn)放 IC 電路設(shè)計(jì)，其基本接法是在 1 腳與 8 腳之間外接一 RG 電阻，增益由式 G=1+，由于它的外圍電路十分簡(jiǎn)單，所以它在本系統(tǒng)中的應(yīng)用見下圖 24 所示。由于我們的溫度測(cè)量范圍是 0～100℃，而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為100 歐姆～ 歐姆，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的恒流源為 5/3 毫安，因此 AD620 的輸入端為 毫伏，假設(shè)考慮我們的 TLC2543 的最大輸入為 ，我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下，則為 20 倍，假設(shè)我們只用一個(gè) AD620，則 AD620 的輸出為2V～5V(TLC 只能轉(zhuǎn)換 5V)，這樣 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率則大于題目的要求 ℃，因此，我們必須將 100 歐姆以下的值通過(guò)偏置的方法將其減掉，然后通過(guò)增加放大倍數(shù)來(lái)盡量9提高分辨率，這里我們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見下圖 24 所示。這里設(shè)計(jì)的首級(jí)放大器的倍數(shù)是 20 倍，而后級(jí)放大則為 4 倍，合計(jì)的放大倍數(shù)為 80 倍，這樣就完全滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。R910kR740k85326741U3AD62085326741U2op07VR12kR82kVR24kVCC+12V12V+12V12VR1010kA023傳傳傳傳傳傳傳1 傳傳傳2傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳圖 24 放大電路第五節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路在我們所測(cè)控的信號(hào)中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D 轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字量。根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理，常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器可分為兩種，雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。1. 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器采用間接測(cè)量的方法，它將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù) T，雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)，積分器，比較器，計(jì)數(shù)器和控制邏輯等部分組成。所謂雙積分就是進(jìn)行一次 A/D 轉(zhuǎn)換需要兩次積分。電路先對(duì)被測(cè)的輸入電壓 Vx 進(jìn)行固定時(shí)間(T0)的正向積分，然后控制邏輯將積分器的輸入端通過(guò)電子開關(guān)接參考電壓 Vr，由于參考電壓與輸入電壓反向且參考電壓值是恒定的，所以反向積分的斜率是固定的，從反向積分開始到結(jié)束，對(duì)參考電壓進(jìn)行反向積分的時(shí)間 T,正比于輸入電壓。輸入電壓越大反向積分時(shí)間越長(zhǎng)，用高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)測(cè)此時(shí)間，即可得到相應(yīng)于輸入電壓的數(shù)字量。特點(diǎn)：可以有效的消除干擾和電源噪聲，轉(zhuǎn)換精度高，但是轉(zhuǎn)換速度慢。102. 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器由 D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。其轉(zhuǎn)換原理為：A/D 轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓 Ui 與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓 Ui（預(yù)定的電壓由逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器中的 D/A 輸出獲得）電壓相比較，根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓 Ui 是大于