基于PT100的溫度測量系統設計研究

陳艷玲，周航，汪金科，范炎鈞，肖麗莎，彭旖旎

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌，443000）

0 引言

本著操作簡單快捷的原則設計本系統。基于單片機結合溫度傳感器的溫度測量系統將傳感器理論與單臺機器相結合[1-3]。詳細介紹了如何將溫度傳感器用于現場測量溫度。改系統可用作溫度測量和指示器，可改良為熱水器溫度控制系統、生產溫度控制系統等[4-7]。

該溫度測量系統設計時使用PT100溫度傳感器通過放大和A/D轉換器將信號傳給處理器，進行控制溫度提示[8-10]。此外，該系統通過擴展外部連接電路來實現溫度報警功能，從而能夠改進現場溫度的實時控制。

1 設計硬件電路

■1.1 PT100特點與選擇

PT100是一個溫度傳感器，它的性質是通過傳感器將溫度信號轉換成電量信號，比如電壓或電流信號，然后我們將轉化的電量信號與溫度相對應。溫度越高，PT100內電阻阻值就越大，隨著溫度的升高，電阻值迅速升高，阻值可上升至250Ω以上。PT100對溫度十分敏感，其在溫度較低時，呈低電阻狀態。由于溫度傳感器的性能較好，已被廣泛應用到各個科技領域。

■1.2 信號識別脈沖

控制系統可以用來把現場傳感器信號改變成為A/ D轉換器可以辨識的信號。作為一個系統，溫度傳感器因為是一個PT100的溫度計，調節電路把溫度電阻信號變化為A/ D轉換器可以接受的一種電壓或電流的信號。

■1.3 設計穩定恒流源電路

在分析PT100傳感器的溫度測量原理時，在PT100中形成信號采集電路通常有兩種方法，一種是構成橋接電路，另一種在分析PT100傳感器的溫度測量原理時，在PT100中形成信號采集電路包括使用恒電流源電路。溫度傳感器兩端的電壓反映了我們的溫度變化，由于恒電流源的作用，電壓與電阻之間的線性關系良好。溫度信號由恒電流源電路獲得。該恒電流源電路的設計由具有特殊性能的三極管和具有更精細設計的低成本設備構成，該系統以低成本傳輸為中心，整體性能令人滿意。

■1.4 放大電路的設計

信號放大器是將非數字信號轉換成數字信號，用于采集數據、控制、讀取計算器或類似傳感器或任何其他目的。因為傳感器信號不能直接轉換成數字數據，傳感器的輸出是一個相對較低的電平變化，是電流電壓電阻類似的微小細弱信號，所以需要放大。在將模擬信號轉換成數字信號之前，先緩沖或校準模擬信號，以適應模擬/數字轉換器的輸入。

由于溫度測量范圍在0℃～100℃之間，相位輸入電壓范圍在0.11℃～1.15℃之間，通過增加電壓來減少輸出誤差并使電壓偏振。然后將微型電壓信號放大，以轉換成適當的電壓值，該電壓值可以輸入到A/D轉換器中，其中R3/R4乘法器根據“虛斷、虛短”進行運算。LM324系列設備的輸入與四次運算放大器具有完全不同的微分輸入，與放大器的標準功能相比，LM324僅能在3V以下工作。

■1.5 A/D轉換器電路

ADC0809同步芯片由8個模擬電路開關、地址塊、解碼器、比較器、8位A/D轉換器、邏輯控制電路和28個引腳組成，整體分為兩列。

■1.6 單片機控制系統

該設計使用單片AT89C51微處理器作為主要控制電路，其中P2端口是A/D轉換器的通信端口。p3.5接LCD1602的寄存器選擇端口，P3.6接讀寫選擇引腳，P3.7接讀寫選擇操作引腳，P0口接液晶的數據總線。

■1.7 顯示電路

LCD1602使用一個16英尺的標準接口，其VCC引腳連接到5V電源的接口上。其工作電壓3 V或5 V，混合電路提供各種控制功能，如屏幕照明、閃爍DGN字符、光標標記等。

2 軟件編程

基于PT100的溫度測量系統的功能由硬件和軟件提供。硬件開發完成后，軟件功能得到確認。第一類是軟件控制，它是整個控制系統的核心，致力于協調模塊和操作員之間的關系。第二步是柔性器件（子方案）的應用，具有測量、計數、顯示、通信等幾個重要的功能，下面列出了各個執行的模塊，以及每個執行模塊的功能和接口的設置。在規劃每個執行單元后，可以對控制過程進行編程。首先，選擇最適合整個系統的控制結構。然后根據精確的時間條件調整平滑控制與操作模塊之間的編程關系。如圖1所示，系統經過初始化采集監視信號的過程（周期2μs），完成對溫度采集數據PT100的處理。

圖1 系統總流程圖

圖2 電路仿真設計

圖3 仿真成果顯示

3 結果設計

溫度測量系統的程序由KEIL C51軟件編輯、連接和執行。在執行之后，創建一個十六進制文件，并將其與硬件部分相關聯，以通過修改硬件參數和軟件編程來減少測量溫度與理想測量之間的誤差。

并根據該設計原理和部件性能設計了電路模擬。系統仿真電路圖如圖2所示。部分仿真結果顯示如圖3所示，系統平均誤差在3%以內，表1為顯示數據與電阻溫度對應表。

表1 顯示數據與電阻溫度對應表（單位：℃）

4 結論

該溫度測量系統采用PT100溫度傳感器，通過加強和使用A/D轉換器發送給宏處理器，進行控制溫度提示。此外，該系統通過擴展外部連接電路來實現溫度報警功能，從而能夠改進現場溫度的實時控制。經過許多改正和實施措施，發現設計在很大程度上符合設計要求。由于人力因素以及硬件和軟件的制約，系統必然會產生錯誤，但可以通過精確的調節和計算來減少錯誤。