智能溫度測量儀課程設(shè)計--pt100溫度傳感器

1、<p>　　Pt100溫度傳感器</p><p>　　溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中

2、將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。</p><p>　　熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來各半導體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如DALLAS公司D

3、S18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，這些芯片的顯著優(yōu)點是與單片機的接口簡單，如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MAXIM公司的2種溫度傳感器一個為頻率輸出，一個為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比較流行的I2C總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便，但這類器件的最大缺點是測溫的范圍太窄，一般只有-55～+1

4、25℃，而且溫度的測量精度都不高，好的才±0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的場合不太滿足用戶的需要。</p><p>　　熱電偶是目前接觸式測溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測溫范圍場合。熱電偶的使用誤差主要來

5、自于分度誤差、延伸導線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。</p><p>　　非接觸式溫度傳感器主要是被測物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的高低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，既可測近距離小目標的溫度，又可測遠距離大面積目標的溫度。目前運用受限的主要原因一是價格相對較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問題，而且其輸出受與被測量物體的距離、環(huán)境

6、溫度等多種其它因素的影響。</p><p>　　本設(shè)計的要求是采用“Pt100”熱電阻，測溫范圍是-200~+600℃，精度0.5%，具體的型號選為WZP型鉑電阻。</p><p>　　AT89C51單片機</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Re

7、ad Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT

8、89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p><b>　　LCD顯示器</b></p><p>　　液晶顯示器是一種采用了液晶控制透光度技術(shù)來實現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。對于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器

9、，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術(shù)原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體設(shè)計介紹</b></p><p>　　測溫的模擬電路是把當前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值，經(jīng)過放大器放大信號后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后傳給單片機AT89C51，單片機再根據(jù)公式

10、換算把測量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到LCD顯示器進行顯示。</p><p>　　本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元，單片機數(shù)據(jù)處理單元，溫度顯示單元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路（采樣）、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。</p><p>　　系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。</p><p>　　1-1 系統(tǒng)的總結(jié)

11、構(gòu)框圖</p><p>　　本溫度測量系統(tǒng)設(shè)計，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機進行控制溫度顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴展實現(xiàn)溫度報警功能，從而更好的實現(xiàn)溫度現(xiàn)場的實時控制。</p><p>　　經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測量，本設(shè)計基本符合設(shè)計要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差，但通過調(diào)節(jié)和精確計算可以減小誤差。</p>

12、<p>　　通過本次溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，我對溫度測量控制有了進一步的熟悉和更深入的學習。在整個設(shè)計的過程中，本設(shè)計的重點和難點是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號轉(zhuǎn)換為單片機單片機能識別的電量信號，其中的信號如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。</p><p><b>　　硬件設(shè)計</b></p><p>　　PT100傳感器特性和測溫原理</p>

13、<p>　　電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物 質(zhì)材料作成的電阻,它會隨溫度的改變而改變電阻值。</p><p>　　PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系 數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：</p><p>　　在0～80℃范圍內(nèi)：</p>

14、<p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2)</p><p>　　在-20～0℃范圍內(nèi)：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)</p><p>　　式中A、B、C 為常數(shù)，</p><p>　　A=3.96847×10-3；</p><p>　　B=-5.

15、847×10-7；</p><p>　　C=-4.22×10-12；</p><p>　　由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT) </p><p>　　其中α=0.00392, Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100

16、。</p><p>　　PT100溫度傳感器的測量范圍廣：-20℃～+80℃，偏差小，響應(yīng)時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計即采用PT100作為溫度傳感器。</p><p>　　主要技術(shù)指標：1. 測溫范圍：-20～80攝氏度；2. 測溫精度：0.5攝氏度；3. 穩(wěn)定性：0.5攝氏度</p><p>　　Pt100是電

17、阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用Pt100 測量溫度一般有兩種方法：</p><p>　　1、設(shè)計一個恒流源通過Pt100 熱電阻，通過檢測Pt100 上電壓的變化來換算出溫度；</p><p>　　測溫原理：通過運放U1A將基準電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流

18、過Pt100時在其上產(chǎn)生壓降，再通過運放U1B將該微弱壓降信號放大（圖中放大倍數(shù)為10），即輸出期望的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　　根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運放的兩個輸入端同電位”，運放U1A的“+”端和“-”端電位V+＝V-＝4.096V；假設(shè)運放U1A的輸出腳1對地電壓為Vo，根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt100＝0，因此電阻Pt100上的壓

19、降VPt100＝Vo-V-＝V-*RPt100/R1，因V-和R1均不變，因此圖1虛線框內(nèi)的電路等效為一個恒流源流過一個Pt100電阻，電流大小為V- /R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。</p><p>　　設(shè)計及調(diào)試注意點： </p><p>　　1. 等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過1mA為準，以免電流大使得Pt100電阻自身發(fā)熱造成測量溫度不準確，試驗證明，

20、電流大于1.5mA將會有較明顯的影響。</p><p>　　2. 運放采用單一5V供電，如果測量的溫度波動比較大，將運放的供電改為±15V雙電源供電會有較大改善。</p><p>　　3. 電阻R2、R3的電阻值取得足夠大，以增大運放的U1B的輸入阻抗。</p><p>　　圖1恒流源式測溫電路</p><p>　　由于封裝問題，實

21、際原理圖如下：</p><p>　　通過了這個課程設(shè)計，我深深的體會到了。理論知識不單單能在考試中使用，而且還可以在生活實際中體現(xiàn)它的價值。在這個過程中我沒有單純用一顆的知識?？偨Y(jié)了我所學過的很多課。終于體會到了，實習對于知識總體把握的能力。 雖然系統(tǒng)的基本功能都已實現(xiàn)，但還是存在系統(tǒng)不穩(wěn)定等多個問題尚待解決。這個系統(tǒng)主要是我自己開發(fā)的，但也得到了老師和同學的很大幫助。我正在做系統(tǒng)的過程中遇到了很多問題，有的

22、是知識存儲不足，有的是考慮不夠周全，之所以能夠順利實現(xiàn)基本功功能，離不開老師和同學的大力相助。事實證明，只靠自己是不能順利完成一套功能完整的系統(tǒng)的，必須充分利用團隊的力量。</p><p>　　開發(fā)一套系統(tǒng)，最重要的是細心，并不是一定要做到面面俱到，但也要充分考慮到客戶的需求和現(xiàn)實意義，不管什么系統(tǒng)，只用運用到實際應(yīng)用中，才具有先現(xiàn)實意義。所以在準備工作中要正確分析社會需求了解現(xiàn)實應(yīng)用，畫出流程圖，把大體框架做好