【正文】 為接觸式和 非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸，而后者是使溫度傳感器與 待測(cè)物體離開(kāi)一定的距離，檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，達(dá)到測(cè)溫的目的。在接觸式和 非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運(yùn)用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較 特殊的場(chǎng)合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫 度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳 感器。 熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱 電阻式兩大類，前 者簡(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳 、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué) 、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用 的熱電阻如 PT100、 PT1000 等。近年來(lái)各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開(kāi)發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如 DALLAS 公司 DS18B20， MAXIM 公司的MAX657 MAX6577， 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。 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 3 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(jiàn)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 。 圖 11 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖 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 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(jiàn)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(jiàn)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 的由于恒流源 7 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(jiàn)下圖 22 所示。 R 1 6 1327 L M 3 3 6 2 .5 V85326741U1O P 0 7V R 310kR 1 7500R 1 1P T 1 0 0+ 1 2 V 1 2 VV C C23 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 A A2 構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大 8 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 R R3 與 R R5 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+A3R2R1R7R6R3R5R4V INV O U T 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， AD6 AD623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(jiàn)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)盡量提高分辨率，這里我 9 們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見(jiàn)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。 R910kR740k85326741U3A D 62 085326741U2op 07V R 12kR82kV R 24kV C C+ 12 V 12 V+ 12 V 12 VR 1010kA023