【正文】 ...................................................... 27 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 4 前 言 隨著科技的發(fā)展和“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。 傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一 溫度測(cè)量系統(tǒng) 。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝 可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文中對(duì) 每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 6 第一章 方案設(shè)計(jì)與論證 傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)目的是式設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng) 。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和 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。 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。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℃，而基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 7 且溫度的測(cè)量精度都不高，好的才177。 2℃左右，因此在高精度的場(chǎng)合不太滿足用戶的需要。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。 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。 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。具體在 0℃～ 100℃的分度特性表見(jiàn)附錄 A 所示。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 8 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。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。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)。在這里我選用方案二完成本次設(shè)計(jì)。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 9 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，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，時(shí)間、溫度顯示單元。 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖 11 所示。 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： 信號(hào) 放大調(diào)理電路 PT100 溫度傳感器 A/D轉(zhuǎn)換電路 復(fù)位電路 按鍵控制電路 STC89C52RC單片機(jī) 液晶 顯示電路 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 10 在 0～ 650℃范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2) （公式 1） 在 200～ 0℃范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t100)t3) （公式 2） 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+α T) ， 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。 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。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 11 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。 硬件框圖以及簡(jiǎn)要原理概述 本電路通過(guò)電源模塊給溫度感應(yīng)模塊提供一個(gè)穩(wěn)定的電源使其正常工作。 圖 21 硬件框圖 恒流源模塊測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)方案 本電路是基于熱敏電阻 Pt100 的溫度檢測(cè)電路， Pt100 的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化，故電源模塊可設(shè)計(jì)一個(gè)橫流源電路使得通過(guò) Pt100 的電流恒定不變，這時(shí)當(dāng)溫度變化時(shí) Pt100 的阻值發(fā)生變化，電壓也就能發(fā)生相應(yīng)的線性變化。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 12 圖 22 恒流源電路 及信號(hào)放大電路 本電路中恒流源電路是基于 TL431 穩(wěn)壓集成電路設(shè)計(jì)的高精度恒流源，電路圖如圖 22所示。當(dāng) TL431 的參考極和地端之間接上一個(gè)電阻時(shí)該之路的電流就是一個(gè)恒定的電流，這時(shí)再如圖中所示接上一個(gè)處于放大區(qū)的三級(jí)管使其發(fā)射極和集極的電流近乎相等，這時(shí)通過(guò)連接在集極 的 Pt100 熱敏電阻的電流就是恒定值。 信號(hào)放大模塊 Pt100 的特性 由于熱敏電阻 Pt100 的電阻對(duì)溫度的改變量比較小只有幾十歐姆的變化（ Pt100 分度表如表一所示），所以其兩端的電壓差相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很小的值，所以需要對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大。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。 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。 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～ ，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，這里我們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見(jiàn)下圖 5 所示。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 15 R910kR740k85326741U3A D 62085326741U2op 07V R 12kR82kV R 24kV C C+ 12V 12V+ 12V 12VR 1010kA023增益調(diào)整放大器 1 放大器 2 及偏置電路傳感器信號(hào)的輸入 圖 24 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 TLC2543 簡(jiǎn)介 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC2543，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的 3 線 SPI 串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。片內(nèi)的 14 通道多路器可以選擇 11 個(gè)輸入中 的任何一個(gè)或 3 個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè)，采樣－保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC 輸出變高。 1LSB； (6) 低供電電流 (1mA 典型值 )； (7) 掉電模式電流為 4μ A。 A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A 1012R13R+14/C S15DO16DI17C L O K18E O C19V C C20T L C 2543 圖 25 TLC2543的引腳 AIN0～ AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。 CS：片選端， CS 由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能 DATA OUT、DATA INPUT 和 I/O CLOCK。 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 17 DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以 MSB 為前導(dǎo)并在 I/O CLOCK的前 4 個(gè)上升沿移入 4 位地址，用來(lái)選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓，之后 I/O CLOCK 將余下的幾位依次輸入。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。 VCC、 GND：電源正端、地。通常 REF＋接 VCC， REF－接 GND。 I/O CLOCK：時(shí)鐘輸入 /輸出端。根據(jù) TLC2543 時(shí)序圖可以看出，在 TLC2543 的 CS 變低時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程， I/O CLOCK 的前 8 個(gè)上升沿將 8 個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余 11 位移出 DATA OUT 端，在I/O CLOCK 下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。 TLC2543 與單片機(jī)的連接如圖所示。如圖 8 所示 。其連線圖如下： 圖 28 液晶顯示 第三章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總流程的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后 PT100進(jìn)行溫度采集，然后經(jīng)過(guò)放大， A/D采集后由單片機(jī)處理讀到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)液晶顯示溫度及溫度曲線。流程圖如下： 圖 32 主函數(shù)流程圖 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 PT100 溫度數(shù)據(jù)采集 處理讀到的數(shù)據(jù) 顯示溫度及溫度曲線 結(jié)束 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 調(diào)用溫度子程序 調(diào)用顯示子程序 調(diào)用掃描按鍵程序 基于 Pt100_熱電阻的簡(jiǎn)易溫度測(cè)量系統(tǒng) 21 溫度轉(zhuǎn)換流程圖的設(shè)計(jì) 溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)先行初始化 ， A/D 轉(zhuǎn)換開(kāi)始工作，單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換成溫度。并顯示溫度及溫度曲線。先檢查電路各個(gè)模塊是否能正常工作，如 T431 的參考極的電壓是否為 ，代替 Pt100 的 100Ω電阻兩端的電壓是否是 ，通過(guò)對(duì)信號(hào)放大模塊中的電位器的調(diào)節(jié)是否能正常影響信號(hào)放大模塊和運(yùn)放加減模塊的輸出電壓。將 100Ω電阻拆下?lián)Q上 Pt100 熱敏電阻進(jìn)行實(shí)際測(cè)量 ,測(cè)得電壓為 ，測(cè)得的溫度為 21℃，