基于PT100鉑熱電阻測溫系統(tǒng)設(shè)計

摘要為了實現(xiàn)現(xiàn)實生活中多種環(huán)境、物體溫度檢測，本文以AT89C51單片機為核心，設(shè)計一種溫度檢測儀表，并給出儀表的硬件結(jié)構(gòu)框架與軟件設(shè)計方案。同時本文采用了PT100鉑熱電阻做溫度傳感器，AD7810做模數(shù)轉(zhuǎn)換，電路具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和價格低廉等特點，能夠移植應(yīng)用于智能儀器儀表中。

中圖分類號:TN7文獻標識碼:A

1 傳感器PT100鉑熱電阻的特性

PT100，又叫鉑電阻，熱電阻，是一種溫度傳感器，鉑電阻溫度系數(shù)為0.0039€祝媯?℃時電阻值為100，電阻變化率為0.3851/℃。 采用不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部填充導熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設(shè)備、流體管道等溫度的測量，非常經(jīng)濟實用。

鉑電阻溫度傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點，特別是它的測量溫度范圍廣，測量中低溫區(qū)-200~400℃，在工業(yè)上如烤箱、色染等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可用于各種標準溫度計。標準型鉑電阻按IEC751國際標準有三種類型，分別是TCR=0.003851，Pt100(R0=100)、Pt1000(R0=1000)。標準型鉑電阻PT100有三根引出導線，為降低測量誤差，三根引出導線的截面積和長度相同，并且在電路設(shè)計時采用不平衡電橋電路，將鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其中一根不同顏色的導線接到電橋的電源端，其余兩根接到橋臂的另一端，若要進一步降低誤差，可將一根接到相鄰的橋臂上，通過電橋電路來抵消因?qū)Ь€電阻變化引起的測量誤差，所以在精確度很高要求的應(yīng)用場合一般都采用三線制接法。PT100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點，并且線性好，在0~100攝氏度間變化時，最大非線性誤差小于0.5攝氏度。寬范圍、高精度溫度測量領(lǐng)域。如軸瓦，缸體，油管，水管，汽管，紡機，空調(diào)，熱水器等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制。供熱/制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制。

2 AD7810模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片特點

AD7810是美國模擬器件公司(Analog Drvices)生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時鐘。它的外圍接線極其簡單，AD7810的轉(zhuǎn)換時間為2s，采用標準SPl同步串行接口輸出和單一電源(2.7V～5.5v)供電。在自動低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1kSPS時的功耗僅為27W。因此特別適合于儀表使用電池供電的應(yīng)用場合使用。

3 PT100鉑熱電阻配合AD7810模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

3.1基本工作原理

利用PT100鉑電阻的阻值隨外部溫度變化而變化的特點，將PT100鉑電阻接入帶2級固定放大倍數(shù)電路的電橋臂中，當外部溫度變化，PT100鉑電阻阻值改變，放大電路輸出電壓隨之改變，從而把PT100鉑電阻阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號;再經(jīng)過AD7810模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送給單片機系統(tǒng)讀取;數(shù)字信號進入單片機系統(tǒng)，通過程序換算得到與溫度對應(yīng)的溫度值并通過LED顯示模塊輸出溫度值。

3.2 硬件設(shè)計

硬件組成主要包括電橋電壓放大電路、AD7810模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和AT89C51單片機系統(tǒng)三個組成部分。其中電橋電壓放大電路是整個測溫電路的核心電路，本部分電路的設(shè)計及調(diào)試是決定測溫系統(tǒng)精確度的關(guān)鍵。這部分電路要處理的信號是電壓信號，是由PT100隨外界溫度變化時引起PT100自身阻值變化，電路設(shè)計要求將由阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，為降低PT100的導線電阻誤差，提高精確度，這里采用四臂電橋電路結(jié)構(gòu)，四臂電橋能得到穩(wěn)定的基準比較電壓，再從PT100端引出比較電壓，兩點電壓信號送至運算放大器的差分輸入端，運算放大器設(shè)計成10倍放大器，如果經(jīng)差分放大器放大的電壓信號直接送至AD7810模數(shù)轉(zhuǎn)換，此變化信號因為由運放直接驅(qū)動AD7810，運放輸出會因直接接入負載產(chǎn)生放大誤差，所以在10倍差分運算放大電路與AD7810間加入一級電壓跟隨器電路，因為電壓跟隨器是1倍放大器，并具有很高的輸出阻抗，從而能有效隔離AD7810作為放大器負載引起的誤差。PT100電壓采樣電路由三部分完成，雖然電路稍顯復雜，但為整體測溫系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及精確度打下堅實的基礎(chǔ)。AD7810數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及AT89C51單片機系統(tǒng)的設(shè)計，重點要設(shè)計電源穩(wěn)壓電路，本系統(tǒng)選用LM7805穩(wěn)壓模塊，有良好的穩(wěn)壓效果，電路簡潔。如果采用伺服穩(wěn)壓電路，除了電路復雜，還有伺服電路本身消耗功率相對采用LM7805模塊大3倍左右，這樣如果將本系統(tǒng)應(yīng)用于便攜測量儀表，充電電池續(xù)航時間將大為縮短。

3.3 PT100鉑電阻及A/D轉(zhuǎn)換

如果直接給PT100鉑電阻供電，傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的電壓信號很小，造成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)誤差大;因此要在PT100鉑電阻到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路之間加入10倍的電壓放大電路，并通過電壓跟隨器電路將電壓信號傳遞給A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，這樣能得到較好的轉(zhuǎn)換精度。單片機的 10 位 A/D 在滿度量程下，最大顯示為 1023 字，為了得到 PT100 傳感器輸出電壓在顯示 500 字時的單片機 A/D 轉(zhuǎn)換輸入電壓，必須對傳感器的原始輸出電壓進行放大，計算公式為:(500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓( mV/℃ )，(Vcc = 系統(tǒng)供電 = 5V)，可以得到放大倍數(shù)為 10.466 。

3.4 AT89C51單片機應(yīng)用系統(tǒng)(下轉(zhuǎn)第118頁)

(上接第116頁)

圖6程序流程圖

由AT89C51單片機芯片、復位電路、振蕩電路、顯示及按鍵電路構(gòu)成單片機應(yīng)用系統(tǒng)，結(jié)合前面的AD7810 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和PT100前置電壓放大電路構(gòu)成測溫表的整體應(yīng)用系統(tǒng)。軟件設(shè)計主要由主程序、中斷子程序、顯示子程序3部分構(gòu)成。本測溫系統(tǒng)的核心部分是中斷子程序，負責將AD7810轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號讀取到單片機系統(tǒng)，并保存到內(nèi)存中以供溫度轉(zhuǎn)換程序調(diào)用。AD7810每完成一次轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生一個高電平標志信號，通知單片機中斷溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，單片機的INT0接收到高電平標志信號便會立刻執(zhí)行中斷子程序，完成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取保存工作。為了提高讀取正確率，主程序采用連續(xù)2次讀取中斷采集到溫度數(shù)據(jù)進行比較，若兩次值偏差較大則放棄保存，只有連續(xù)2次讀取數(shù)值偏差小于0.5的結(jié)果才送去保存。由于PT100鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的，保存的數(shù)據(jù)送顯示子程序前須進行線性擬合，擬合公式為T=2.469R+27.2。 顯示程序不斷的顯示上一次保存的擬合數(shù)據(jù)，由于先前在做模數(shù)轉(zhuǎn)換讀取數(shù)據(jù)時進行糾錯處理，避免了顯示數(shù)據(jù)跳變擾動。

4 結(jié)語

在溫度測量系統(tǒng)設(shè)計中，PT100鉑熱電阻被封裝在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統(tǒng)不但可以檢測氣體溫度，還可以檢測土壤、液體、種子等內(nèi)的溫度，大大提高了溫度測量系統(tǒng)的適用范圍，且采用PT100鉑熱電阻為溫度采集元件，可有效地降低開發(fā)成本。A/D轉(zhuǎn)換部分選用AD7810串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，功耗低、精度高、速度快無需其他外圍器件，即節(jié)省了元件又使設(shè)計簡單化。軟件部分采用C51編寫便于移植，也方便嵌入到其他儀器儀表系統(tǒng)軟件中。本溫度測量系統(tǒng)電路設(shè)計具有簡單、適用范圍廣和功耗低的特點。

參考文獻

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