基于PT100的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳艷玲，周航，汪金科，范炎鈞，肖麗莎，彭旖旎

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌，443000）

0 引言

本著操作簡單快捷的原則設(shè)計(jì)本系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)結(jié)合溫度傳感器的溫度測量系統(tǒng)將傳感器理論與單臺(tái)機(jī)器相結(jié)合[1-3]。詳細(xì)介紹了如何將溫度傳感器用于現(xiàn)場測量溫度。改系統(tǒng)可用作溫度測量和指示器，可改良為熱水器溫度控制系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度控制系統(tǒng)等[4-7]。

該溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用PT100溫度傳感器通過放大和A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳給處理器，進(jìn)行控制溫度提示[8-10]。此外，該系統(tǒng)通過擴(kuò)展外部連接電路來實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而能夠改進(jìn)現(xiàn)場溫度的實(shí)時(shí)控制。

1 設(shè)計(jì)硬件電路

■1.1 PT100特點(diǎn)與選擇

PT100是一個(gè)溫度傳感器，它的性質(zhì)是通過傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，比如電壓或電流信號(hào)，然后我們將轉(zhuǎn)化的電量信號(hào)與溫度相對(duì)應(yīng)。溫度越高，PT100內(nèi)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(duì)溫度十分敏感，其在溫度較低時(shí)，呈低電阻狀態(tài)。由于溫度傳感器的性能較好，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)科技領(lǐng)域。

■1.2 信號(hào)識(shí)別脈沖

控制系統(tǒng)可以用來把現(xiàn)場傳感器信號(hào)改變成為A/ D轉(zhuǎn)換器可以辨識(shí)的信號(hào)。作為一個(gè)系統(tǒng)，溫度傳感器因?yàn)槭且粋€(gè)PT100的溫度計(jì)，調(diào)節(jié)電路把溫度電阻信號(hào)變化為A/ D轉(zhuǎn)換器可以接受的一種電壓或電流的信號(hào)。

■1.3 設(shè)計(jì)穩(wěn)定恒流源電路

在分析PT100傳感器的溫度測量原理時(shí)，在PT100中形成信號(hào)采集電路通常有兩種方法，一種是構(gòu)成橋接電路，另一種在分析PT100傳感器的溫度測量原理時(shí)，在PT100中形成信號(hào)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(guān)系良好。溫度信號(hào)由恒電流源電路獲得。該恒電流源電路的設(shè)計(jì)由具有特殊性能的三極管和具有更精細(xì)設(shè)計(jì)的低成本設(shè)備構(gòu)成，該系統(tǒng)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(shè)計(jì)

信號(hào)放大器是將非數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用于采集數(shù)據(jù)、控制、讀取計(jì)算器或類似傳感器或任何其他目的。因?yàn)閭鞲衅餍盘?hào)不能直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，傳感器的輸出是一個(gè)相對(duì)較低的電平變化，是電流電壓電阻類似的微小細(xì)弱信號(hào)，所以需要放大。在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前，先緩沖或校準(zhǔn)模擬信號(hào)，以適應(yīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)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(hào)放大，以轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷褐担撾妷褐悼梢暂斎氲紸/D轉(zhuǎn)換器中，其中R3/R4乘法器根據(jù)“虛斷、虛短”進(jìn)行運(yùn)算。LM324系列設(shè)備的輸入與四次運(yùn)算放大器具有完全不同的微分輸入，與放大器的標(biāo)準(zhǔn)功能相比，LM324僅能在3V以下工作。

■1.5 A/D轉(zhuǎn)換器電路

ADC0809同步芯片由8個(gè)模擬電路開關(guān)、地址塊、解碼器、比較器、8位A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路和28個(gè)引腳組成，整體分為兩列。

■1.6 單片機(jī)控制系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)總線。

■1.7 顯示電路

LCD1602使用一個(gè)16英尺的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)標(biāo)記等。

2 軟件編程

基于PT100的溫度測量系統(tǒng)的功能由硬件和軟件提供。硬件開發(fā)完成后，軟件功能得到確認(rèn)。第一類是軟件控制，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，致力于協(xié)調(diào)模塊和操作員之間的關(guān)系。第二步是柔性器件（子方案）的應(yīng)用，具有測量、計(jì)數(shù)、顯示、通信等幾個(gè)重要的功能，下面列出了各個(gè)執(zhí)行的模塊，以及每個(gè)執(zhí)行模塊的功能和接口的設(shè)置。在規(guī)劃每個(gè)執(zhí)行單元后，可以對(duì)控制過程進(jìn)行編程。首先，選擇最適合整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)精確的時(shí)間條件調(diào)整平滑控制與操作模塊之間的編程關(guān)系。如圖1所示，系統(tǒng)經(jīng)過初始化采集監(jiān)視信號(hào)的過程（周期2μs），完成對(duì)溫度采集數(shù)據(jù)PT100的處理。

圖1 系統(tǒng)總流程圖

圖2 電路仿真設(shè)計(jì)

圖3 仿真成果顯示

3 結(jié)果設(shè)計(jì)

溫度測量系統(tǒng)的程序由KEIL C51軟件編輯、連接和執(zhí)行。在執(zhí)行之后，創(chuàng)建一個(gè)十六進(jìn)制文件，并將其與硬件部分相關(guān)聯(lián)，以通過修改硬件參數(shù)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(jù)該設(shè)計(jì)原理和部件性能設(shè)計(jì)了電路模擬。系統(tǒng)仿真電路圖如圖2所示。部分仿真結(jié)果顯示如圖3所示，系統(tǒng)平均誤差在3%以內(nèi)，表1為顯示數(shù)據(jù)與電阻溫度對(duì)應(yīng)表。

表1 顯示數(shù)據(jù)與電阻溫度對(duì)應(yīng)表（單位：℃）

4 結(jié)論

該溫度測量系統(tǒng)采用PT100溫度傳感器，通過加強(qiáng)和使用A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送給宏處理器，進(jìn)行控制溫度提示。此外，該系統(tǒng)通過擴(kuò)展外部連接電路來實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而能夠改進(jìn)現(xiàn)場溫度的實(shí)時(shí)控制。經(jīng)過許多改正和實(shí)施措施，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)在很大程度上符合設(shè)計(jì)要求。由于人力因素以及硬件和軟件的制約，系統(tǒng)必然會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，但可以通過精確的調(diào)節(jié)和計(jì)算來減少錯(cuò)誤。