基于pt100热电阻的简易温度测量系统-学位论文.doc
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1、基于PT100热电阻的简易温度测量仪摘 要: 本文首先简要介绍了铂电阻PT100的特性以及测温的方法,在此基础上阐述了基于PT100的温度测量系统设计。在本设计中,是以铂电阻PT100作为温度传感器,采用恒流测温的方法,通过单片机进行控制,用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。通过对电路的设计,减小了测量电路及PT100自身的误差,使温控精度在0100范围内达到0.1。本文采用STC89C52RC单片机,TLC2543 A/D转换器,AD620放大器,铂电阻PT100及液晶系统,编写了相应的软件程序,使其实现温度及温度曲线的实时显示。该系统的特点是:使用简便;测量精确、稳定、可靠;测量范围
2、大;使用对象广。关键词:PT100 单片机 温度测量 AD620 TL431 AbstractThis article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method, on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100. In this design, it is use a PT100 platinum resista
3、nce as temperature sensor, in order to acquisition the temperature signal, it use of constant-current temperature measurement method and use single-chip control, Amplifier, A / D converter. It can still improve the perform used two-wire temperature circuit and reduce the measurement eror. The temper
4、ature precision is reached 0.1 between 0100. The system contains SCM(STC89C52), analog to digital convert department (TLC2543), AD620 amplifier, PT100 platinum, LCD12864, write the corresponding software program to achieve real-time temperature display. The system is simple , accurate , stable and w
5、ide range. Keywords: PT100 MCU Temperature Measures AD620 TL431目录前 言4第一章 方案设计与论证61.1 传感器的选择61.2 方案论证71.3 系统的工作原理81.4 系统框图9第二章 硬件设计92.1 PT100传感器特性和测温原理92.2 硬件框图以及简要原理概述112.3 恒流源模块测温模块设计方案112.4 信号放大模块122.5 A/D转换模块152.6 单片机控制电路182.7 显示模块19第三章 软件设计193.1系统总流程的设计193.2 主函数的设计203.3 温度转换流程图的设计213.4 显示流程图213.
6、5 按键流程的设计22第四章 数据处理与性能分析234.1采集的数据及数据处理234.2 性能测试分析23第五章 结论与心得241 结论242 心得24附录1 原理图25附录2 元器件清单26附录3 程序清单27 前 言 随着科技的发展和“信息时代”的到来,作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。因此,不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标,还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、
7、显示和控制的要求,而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解,才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来,适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面,传感器的被测信号来自于各个应用领域,每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效,各自都在开发研制适合应用的传感器,于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快,以及其应用之广,并且还有很大潜力。 为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途,基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。文中将传
8、感器理论与单片机实际应用有机结合,详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度,以及实现热电转换的原理过程。 本设计应用性比较强,设计系统可以作为温度测量显示系统,如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、生产温度监控系统等等。本课题主要任务成环境温度检测并显示温度和实时的时间。设计后的系统具有操作方便,控制灵活移植性强等优点。本设计系统包括温度传感器,信号放大电路,A/D转换模块,数据处理与控制模块,温度、显示模块六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度测量与显示,完成了课题所有要求。第一章 方案设计与论证1.1 传感器的选择 本设计目的是式设计一个测
9、温系统。首先要考虑的就是温度传感器的选择。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类,前者是让温度传感器直接与待测物体接触,而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离,检测从待测物体放射出的红外线,达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中,相比运用多的是接触式传感器,非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用,目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器,其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器,将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类,前者简称热电阻,后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍
10、、铁等,它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等,常用的热电阻如PT100、PT1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器,如DALLAS公司DS18B20,MAXIM公司的MAX6576、MAX6577,ADI公司的AD7416等,这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单,如DS18B20该温度传感器为单总线技术,MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出,一个为周期输出,其本质均为数字输出,而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线,这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便,但这类器件的最大缺点是测温的范
11、围太窄,一般只有-55+125,而且温度的测量精度都不高,好的才0.5,一般有2左右,因此在高精度的场合不太满足用户的需要。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器,它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等,各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低,这种测温方法可避免与高温被测体接触,测温不破坏温度场,测温范围宽,精度高,反应速度快
12、,既可测近距离小目标的温度,又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵,二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题,而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。由于本设计的任务是要求测量的范围为0100,测量的分辨率为0.1,综合价格以及后续的电路,决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器,具体的型号为WZP型铂电阻,该传感器的测温范围从200650。具体在0100的分度特性表见附录A所示。1.2 方案论证 温度测量的方案有很多种,可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。 方案一:采用模拟分立元件 如电
13、容、电感或晶体管等非线形元件,该方案设计电路简单易懂,操作简单,且价格便宜,但采用分立元件分散性大,不便于集成数字化,而且测量误差大。 方案二:采用温度传感器 通过温度传感器采集温度信号,经信号放大器放大后,送到A/D转换芯片,将模拟量转化为数字量,传送给单片机控制系统,最后经过液晶显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围为-200650,完全满足要求,考虑到铂电阻的测量精确度是最高的,所以我们设计最终选择铂电阻PT100作为传感器。该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器,TLC2543作为A/D转换部件,
14、对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案一,在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。1.3 系统的工作原理测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻值,转换为容易测量的电压值,经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机STC89C52RC,单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值,并将数据送出到液晶进行显示。1.4 系统框图本设计系统主要包括温度信号采集单元,单片机数据处理单元,时间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路(采样)、放大电路、A/D转
15、换电路。系统的总结构框图如图1-1所示。信号放大调理电路PT100温度传感器A/D转换电路复位电路按键控制电路STC89C52RC单片机液晶显示电路 图1-1 系统的总结构框图 第二章 硬件设计2.1 PT100传感器特性和测温原理电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示:在0650范围内:Rt =R0 (1+At+Bt2) (公式1)在-2000范围内:Rt =R0
16、(1+At+Bt2+C(t-100)t3) (公式2)式中A、B、C 为常数,A=3.9684710-3;B=-5.84710-7;C=-4.2210-12;由于它的电阻温度关系的线性度非常好,因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下:R=Ro(1+T) ,其中=0.00392, Ro为100(在0的电阻值),T为华氏温度,因此铂做成的电阻式温度传感器,又称为PT100。 PT100温度传感器的测量范围广:-200+650,偏差小,响应时间短,还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点,其得到了广泛的应用,本设计即采用PT100作为温度传感器。主要技术指标:1. 测温范围:-200
17、650摄氏度;2. 测温精度:0.1摄氏度;3. 稳定性:0.1摄氏度Pt100 是电阻式温度传感器,测温的本质其实是测量传感器的电阻,通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号,然后再将模拟信号转换成数字信号,再由处理器换算出相应温度。采用Pt100 测量温度一般有两种方案:方案一:设计一个恒流源通过Pt100 热电阻,通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度。方案二:采用惠斯顿电桥,电桥的四个电阻中三个是恒定的,另一个用Pt100 热电阻,当Pt100电阻值变化时,测试端产生一个电势差,由此电势差换算出温度。两种方案的区别只在于信号获取电路的不同,其原理上基本一致。2.2 硬件框图以
18、及简要原理概述本电路通过电源模块给温度感应模块提供一个稳定的电源使其正常工作。再将温度感应模块产生的信号通过信号放大模块就行放大,最后将放大的信号送A/D转换。 图2-1 硬件框图2.3 恒流源模块测温模块设计方案本电路是基于热敏电阻Pt100 的温度检测电路,Pt100 的电阻值会随着温度的变化而变化,故电源模块可设计一个横流源电路使得通过Pt100 的电流恒定不变,这时当温度变化时Pt100 的阻值发生变化,电压也就能发生相应的线性变化。只要通过对Pt100两端的电压进行处理就能测得外界环境的温度。 图2-2 恒流源电路及信号放大电路本电路中恒流源电路是基于TL431 稳压集成电路设计的高
19、精度恒流源,电路图如图2-2所示。当TL431 两端接上电压后其参考极将输出稳定的2.5V 的电压,但是TL431的阴极和阳极不能直接接在电压上所以需要串上一个电阻进行分压,本电路中使其串上1500的电阻。当TL431 的参考极和地端之间接上一个电阻时该之路的电流就是一个恒定的电流,这时再如图中所示接上一个处于放大区的三级管使其发射极和集极的电流近乎相等,这时通过连接在集极的Pt100 热敏电阻的电流就是恒定值。由于通过Pt100 的电流需要在11.5mA 内,以及为了计算的方便,在本电路中理想情况下我们要使通过Pt100 的电流约为1mA。2.4 信号放大模块2.4.1 Pt100的特性由于
20、热敏电阻Pt100 的电阻对温度的改变量比较小只有几十欧姆的变化(Pt100 分度表如表一所示),所以其两端的电压差相对来说是一个很小的值,所以需要对该电压信号进行放大。表2-1一Pt100 分度表 2.4.2 放大器AD620放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键,根据查阅的相关资料,在放大器电路精选中,一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构,如下图2-3所示,三运放中由A1、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器,后级为差动放大器,在这个结构图中,要保证放大器高的性能,参数的对称性与一致性显得尤为重要,不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3
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