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1、 电气与信息工程学院电气与信息工程学院 检测系统检测系统 课程设计说明书课程设计说明书 题 目： 热电阻温度检测装置设计 作 者： 沈韬 4140211118 专业班级： 14 电气本（1）班 指导教师： 蔡璐璐 职 称： 副教授 2017 年 1 月 6 日 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 I 摘 要 针对课程设计中温度检测的要求，设计并实现了一种三线制 Pt100 温度传感器。 利用 Pt100 铂热电阻的电阻-温度函数关系， 将温度信号转换为电压信号， 经过两级 放大电路对电压信号进行放大， 再将电压信号转换为标准的电流信号输出。 在 A/D 温 度采集时， 利用精密电流电压转
2、换芯片， 将电流信号转换为标准的电压信号。 实践证 明， 该传感器有较高的稳定性和灵活性， 性能良好且容易实现， 成本低， 值得推广 应用。 关键词：Pt100 铂电阻；三线制；温度测量；电压跟随器 Abstract Using resistance and temperature function of Pt100 platinum thermal resistance， converting the temperature signal into a voltage signal， amplifying voltage signal through two-stage amplifier
3、circuit and then converting the voltage signal into standard current signal output. I n the A / D acquisition， using precise current and voltage conversion chips， converting current signal into standard voltage signal. The practice proves that the sensor has high stability and flexibility ， is easy
4、to achieve and has good performance， low cost . Keywords: Pt100 Platinum resistance ；three-wire； sensor；Amplifying circuit； Voltage follower 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 II 目 录 第 1 章 概述 1 第 2 章 铂电阻测温系统工作原理 - 1 - 2.1 信号采集电路设计 . - 1 - 2.1.1 恒流源电路 . - 2 - 2.1.2 单臂桥式电路 . - 2 - 2.1.3 电压放大及 A/D 转换接口电路 . - 3 - 2.1
5、.4 光耦隔离电路 . - 4 - 2.1.5 单片机控制与液晶显示接口电路 . - 5 - 第 3 章 系统软件设计 - 6 - 3.1 系统流程图 . - 6 - 3.2 软件设计 . - 7 - 第 4 章 仿真电路及实物设计 . - 9 - 4.1 仿真电路图 . - 9 - 4.2 实际温度测试 . - 10 - 4.2.1 PT100 的线性化处理 . - 10 - 4.2.2 实际电路图 - 10 - 参考文献 12 致谢 13 附录 1 14 附录 2 14 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 - 1 - 第1章 概述 目前， 由于国内仍有相当部分工业企业所用的有关温度生
6、产线存在着控制精度不高， 温度均匀性差等问题，达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产品的品质低下， 严重影响企业经济效益， 其主要原因是温度控制具有工况复杂， 参数多变， 运行惯性大， 控制滞后等特点。所以在实际控制中，温度的准确性和精度很难控制。由此可以看出， 准确地测量和控制温度，对于新材料的研究与生产，获得正确的科研数据和保证产品质 量都是十分重要的。无论在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面， 温度测量和控制都是极为重要的课题1 。温度是表征物体冷热程度的物理量,在工业生 产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数。在工业控制过程中需要对控制对象 进行温度监测,防止
7、控制对象由于温度过高而损坏,因此温度的实时监测就显得更加重要。 对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查、 保护,并及时调整温度的高低。 根据控 制系统设计要求的不同,温度监测系统的设计也有所变化,有采用集成芯片的,也有采用恒 流源器件和恒压源器件的。因铂热电阻具有测量范围大,稳定性好,示值复现性高和耐氧 化等优点,该系统采用 Pt100 铂热电阻作为温度感测元件,进行温度传感器的设计与实现 2-3。在设计中,将电压信号转换为标准的 420mA 电流信号,既省去昂贵的补偿导线, 又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。PT100 铂热电阻的阻值随着温度的变化 而变化，利用这一特点来采集温度
8、信号，将采集到的信号转换成电压信号；再经过 A/D 转换成数字信号并由单片机系统读取；单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理， 并换算成与温度对应的数字信号，最后再由液晶显示器显示输出温度值。 本系统由 Pt100 铂电阻检测，经温度信号放大和数字处理变成统一的标准信号后送 给显示仪表，且将显示值记录下来，送到控制单元，在此与温度设定值进行比较，并进 行比例(P)，积分(I)以及微分(D)运算后，其输出经放大器放大，推动执行机构，以脉宽 的形式控制执行机构电压的平均值，从而达到自动控制温度的目的。 第 2 章 铂电阻测温系统工作原理 2 2. .1 1 信号采集电路信号采集电路设计设计 温度
9、测量系统在单片机系统设计中应用广泛，根据单片机系统设计要求的不同，温 度测量系统的设计也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件 的2。本系统选用 PT100 铂热电阻作为温度信号采集元件，来进行温度测量系统设计。 硬件组成主要包括恒流源电路、电压放大、单臂桥式电路、A/D 转换接口电路、光耦隔 离电路、液晶显示电路 5 个组成部分。 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 - 2 - 2.1.1 恒流源电路 恒流源电路如图 2.1 所示。其中芯片 OP07 为运算放大器，它和 5 个电阻组成恒流 源电路，在 VIN+处输出 1mA 的工作电流。图中 DGND=5V，VMC
10、=0V，有 4 个节点分 别是 Net1，Net2，Net3，Net4。设流过 R110 的电流为 Ia，流过 R114 的电流为 Ib，单位 为 mA，方向都向右。 则根据运放的虚断和虚短，则有方程: (111+ 110) + 114 113( 111)/112) ( 111) = 0 (2-1) 代入数据，有: 5 (10 + 1)+ 1 2(5 10)/10) (5 10) = 0 (2-2) 可算得+ = 1，而 Ia+Ib 即为所求电流 I，为 1mA。根据方程，可知要得到 Ia+Ib 为常数，必须满足: 113 R111 R112 R110= R114 (2-3) 所以，这个电路成
11、为恒流源的条件是: R111 R112 = ( R110+ R114) 113 (2-4) 如果R111= R112则必须R110+ R114= R113，此时，恒流值为I = DGNDR113/R112/ R114。 其中 J110 用于连接 PT100 铂热电阻。 图 2.1 恒流源电路 2.1.2 单臂桥式电路 Pt100 铂热电阻的电阻值变化范围通常小于 0.1%。如果直接用欧姆表测量其电阻 值，由于其电阻值很大，被测量的变化却很小，将产生很大的误差，所以多使用不平衡 电桥3来测量这一微小的变化量，将R/R 转换为输出电压 U。 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 - 3 - 2
12、.1.3 电压放大及 A/D 转换接口电路 PT100 铂热电阻一端输出的电压很小，如果直接与 A/D 转换器相连接，则转换数据 偏差较大；所以本设计中将 PT100 铂热电阻一端输出的电压放大 10 倍后与电压跟随器 相连接，再进行 A/D 转换，这样就能得到较好的转换效果，如图 2.2 所示。精密放大器 INA118 和电压基准芯片 MC1403 组成放大电路， VIN+为 PT100 铂热电阻一端输出的电 压值；WIN-为基准电压源 MC1403 输出的电压值；VOUT 为放大后的输出电压值。计 算公式为:VOUT=G(VIN+)-(VIN-)，其中 G 的大小由电阻 R120 来决定，
13、G=1+50k /R1204。芯片 OPA277 与外围电阻组成电压跟随器。 图 2.2 电压放大电路图 选用双积分型 3(1/2)位的 MC14433 芯片 A/D 转换器(相当于 11 位二进制数)， MC14433 采用动态扫描 BCD 码输出方式，即千、百、十、个位 BCD 码轮流地在 Q0 Q4 端输出，同时在 DS1DS4 端出现同步字位选通信号5 ，6。如图 2.3 所示。MC1403 集成精密+2.5V 电压源经电位器分压后作为 A/D 转换的基准电压。MC14433 的 DU 端 与 EOC 端相连，以选择连续转换方式，每次转换结果都送至输出寄存器。EOC 是 A/D 转换结
14、束的输出标志信号。 单片机在读取 A/D 转换结果时， 可以采用中断方式或查询方 式。为使单片机能忙于其他任务，本设计系统采用中断方式。DU 端与 EOC 相连后经光 耦连至单片机的 INT1 端。 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 - 4 - 图 2.3 A/D 转换接口电路图 在 MC14433 上电后，即对外部模拟输入电压信号进行 A/D 转换，由于 EOC 与 DU 端相连，每次转换完毕都有相应的 BCD 码及相应的选通信号出现在 Q0Q4 和 DS1 DS4 上。当单片机开放中断，允许 INT1 中断申请，并置外部中断为边沿触发方式，在 执行中断程序后，每次 A/D 转换结束
15、时，都将把 A/D 转换结果送入片内 RAM 中。 电压信号经过 MC14433A/D 转换后，再经光耦隔离电路传送给单片机，单片机处理 后由液晶显示器输出温度值。 2.1.4 光耦隔离电路 为使输入信号准确无误，在 I/O 口扩展芯片 8255 与 A/D 转换部分采用光耦进行隔 离。A/D 转换作为模拟量输入部分，采用独立模拟电源和模拟地。单片机及 I/O 口扩展 芯片 8255 作为数字部分采用独立数字电源和数字地，减少外部输入对单片机的影响。 Q0Q4 和 DS1DS4 用 2 片 TLP521-4 进行隔离后连接至扩展芯片 8255C 口上，电路 如图 2.4 所示。 电气与信息工程学院检测系统课程设计说明书 - 5 - 图 2.4 光耦隔离电路 2.1.5 单片机控制与液晶显示接口电路 本设计选用的是 12864 点阵的 OCMJ48C 中文液晶图形显示模块。C 系列中文 模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能， 与传统的图形点阵液晶显示模块相比，单片机硬件接口电路以及软件编程比较简单，内 置 2Mb 中文字型 ROM(CGROM)总共提供 8192 个中文字型，可节省大量单片机设计的 ROM 空间，可更多地显示汉字字符的数量，更加发挥了液晶显示技术在单片机系统中 的应用7。OCMJ48C 模块非常适用于显示汉字
