1. 研究背景、意義

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度一直都是一個(gè)很重要的物理多數(shù)，溫度的檢則和控制直接和安全生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)最，生產(chǎn)效率，節(jié)約能源等戚大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系，因此在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)城中都受到了人們的普遍重視。隨著傳感器技術(shù)和電子測最技術(shù)的迅猛發(fā)展，以單片機(jī)為主的嵌入式系統(tǒng)已r廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，新型的電子測溫儀器不僅操作簡單，而日精度比傳統(tǒng)儀器有很大提高。日前在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場使用最廣泛的溫度傳感器主要有熱電偶和熱電阻，例如鉑熱電阻PT100就是使用最廣泛的傳感器之一， 本文介紹的就是PT100的溫度研究。PT100在-50~ 600'C范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等中，正是基于此，PT100在各個(gè)行業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一款基于PT100的多路溫度巡檢儀，可同時(shí)測里多路PT 100信號(hào)，并通過數(shù)碼管循環(huán)顯示各路溫度值，且具有按鍵電路，可進(jìn)行報(bào)警溫度的調(diào)節(jié)。

2. 項(xiàng)目簡介

本文介紹了鉑熱電阻PT100的特性和PT 100溫度和阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過恒流源將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào);再經(jīng)過A / D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由單片機(jī)系統(tǒng)讀取;單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后再由LED輸出溫度值。

• 溫度傳感器的設(shè)計(jì)
  

PT100鉑電阻在高溫下物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，精度高穩(wěn)定性好性能可靠，工作范圍是-200℃~650℃，電阻溫度關(guān)系的線性度非常好。

在0℃~650℃，Rt=Ra(1+At+Bt^2)

在-200℃~0℃，Rt=Ra（1+At+Bt^2+C(t-100)t^3）

式中，ABC為常數(shù)，A=3.96847*10^3  B=-5.847*10^7  C=-4.22*10^12

Pt100鉑電阻的接線方式主要有兩線式和三線式和四線式。四線精度最高，三線也可以，兩線最低。Pt100溫度傳感器0℃時(shí)電阻值是100歐姆，電阻變化率是0.3851歐姆每攝氏度。由于其電阻小，靈敏度高，所以引線的電阻不能忽略，采用三線法可以消除引線線路電阻帶來的測量誤差。原理如下：

PT100引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同(即r1=r2=r3),測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻(Rpt100)作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根(r1)接到電橋的電源端，其余兩根(r2、r3)分 別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻，電橋處于平衡狀態(tài)，引線線電阻的變化對(duì)測量結(jié)果沒有任何影響。

當(dāng)r4*( rx+r2+r3 ) =r5* ( Rpt100+r2+r1)電橋平衡, V1=0
當(dāng)Rpt100受溫変化后,電橋不平衡,V1≠0

（2）運(yùn)放的設(shè)計(jì)

本電路是基于熱敏電阻Pt100的溫度檢測電路，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。只要通過對(duì)Pt100兩端的電壓進(jìn)行處理就能測得外界環(huán)境的溫度。

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。當(dāng)TL431 兩端接上電壓后其參考極將輸出穩(wěn)定的2.5V的電壓，但是TL431的陰極和陽極不能直接接在電壓上所以需要串上一個(gè)電阻進(jìn)行分壓，本電路中使其串上1500歐姆的電阻。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)通過連接在集極的Pt100熱敏電阻的電流就是恒定值。由于通過Pt100的電流需要在1^ 1. 5mA內(nèi)，以及為了計(jì)算的方便，在本電路中理想情況下我們要使通過Pt100的電流約為 1mA。

• 放大器AD620
  

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)。AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由0P-07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+49. 4千歐姆 /RG確定。我們的溫度測量范圍是-200℃~650℃，而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為18.52歐姆~329.64歐姆。

• AD轉(zhuǎn)換芯片
  

TLC2543是12位串行接口的AD轉(zhuǎn)換器，它使用開關(guān)電容主次逼近技術(shù)完成AD轉(zhuǎn)換，具有11路模擬輸入，輸入電壓范圍是0~Vref,Vref是最大可達(dá)芯片的電壓5V，它的分辨率高為12位。需要注意的是，單片機(jī)每次讀出的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是上次模擬通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)而非本次操作輸出的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

2.顯示

儀器的顯示分辨率為01C在現(xiàn)場已足夠使用.所以用5位LED數(shù)碼管來循環(huán)顯示路數(shù)和該路的正負(fù)溫度值。為節(jié)約硬件電路資源，選用5片74HC164串入并出芯片作為數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路，顯示數(shù)據(jù)可由CPU的空閑串口RXD和TXD送出顯示，這種電路與CPU接口簡單.占用CPU軟硬件資源少.且價(jià)格低廉.在顯示位數(shù)不多的儀表中使用有非常高的性價(jià)比

3.按鍵

按鍵電路來完成各路溫度報(bào)警值的設(shè)置，至少需要3個(gè)鍵盤來實(shí)現(xiàn)此功能。其中一個(gè)作功能鍵兼作路數(shù)選擇鍵一個(gè)作加一鍵，一個(gè)作加十鍵，可方便地在任何時(shí)刻對(duì)儀表的溫度報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置。

用變阻箱代替PT100模擬溫度變化時(shí)阻值的變化。程序運(yùn)行時(shí)，在一一定范圍內(nèi)扭動(dòng)變阻箱，液晶顯示屏上將顯示此阻值對(duì)應(yīng)的溫度值。可知對(duì)應(yīng)值是否正確。本設(shè)計(jì)中，是以溫度采集及檢測為總目標(biāo)，以單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)為總控制中心，輔助設(shè)計(jì)有溫度采集電路、  A/D轉(zhuǎn)換單元、LCD液晶顯示等等。

在科學(xué)和工程問題上可以通過租入采樣、實(shí)驗(yàn)等方法或得若干離散的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們往往希望得到一個(gè)連續(xù)的函數(shù)(也就是曲線)或者更加密集的離散方程與已知數(shù)據(jù)相吻合。這個(gè)過程叫擬合。插值是曲線必須通過已知點(diǎn)的擬合，是離散函數(shù)逼近的重要方法,利用它可通過函數(shù)在有限個(gè)點(diǎn)處的取值狀況，估算出函數(shù)在其它點(diǎn)的近似值。由于PT100與溫度近似呈線性關(guān)系，故采用線性插值法。在本次程序設(shè)計(jì)中運(yùn)用了兩次線性插值計(jì)算出最終的溫度值，第一次根據(jù)AD值算出PT100的阻值，之前先用標(biāo)準(zhǔn)電阻來標(biāo)定AD值，即自50Q到220Q每間隔5Q測一個(gè)AD值，制成表格，再由插值法計(jì)算出PT100的實(shí)際值。第二次根據(jù)阻值算出對(duì)應(yīng)的溫度值,在阻值與溫度的表格中用插值法計(jì)算出當(dāng)時(shí)的溫度值。

通過本次競賽創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)讓我們?nèi)齻�(gè)人收獲良多。從一開始對(duì)單片機(jī)的了解到后來的漸漸熟悉，深切的體會(huì)了單片機(jī)的魅力。我們?nèi)齻�(gè)人不僅學(xué)到了利用51單片機(jī)設(shè)計(jì)溫度傳感器的相關(guān)知識(shí)，跟在課程設(shè)計(jì)當(dāng)中鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)合作能力和反復(fù)推敲驗(yàn)證的求學(xué)精神。從最開始對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的選擇，我們學(xué)了8209的AD轉(zhuǎn)換器，后來發(fā)現(xiàn)對(duì)于PT100鉑電阻來說轉(zhuǎn)化精準(zhǔn)度不夠。本著提高精度的設(shè)計(jì)精神我們選用了精度更高的AD轉(zhuǎn)換器。對(duì)于設(shè)計(jì)電路來說，巧妙地運(yùn)用了黃老師講的恒流源電路，不僅提高了實(shí)驗(yàn)精度而且使電路的設(shè)計(jì)更加合理。除此之外，我們一共選用二零三套實(shí)驗(yàn)方案，分別為兩線三線和四線的設(shè)計(jì)電路。講三個(gè)電路進(jìn)行反復(fù)比較，最終選定了三線橋式電路，可以有效地減少傳輸線路帶來電阻影響。可以說我們的設(shè)計(jì)是從最初的“粗制濫造”到最后精益求精的一個(gè)過程。我們?nèi)齻�(gè)人在這一過程中著實(shí)收獲良多。、