基于pt100铂热电阻的温度检测器设计报告

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1、基于基于 Pt100Pt100 铂热电阻铂热电阻的简易温度测量器的简易温度测量器 设计者：郭桂武 一、设计任务与要求 1了解电子线路的应用； 2掌握基本的电子线路的设计过程及方法； 3设计一个温度测量电路可以实现对外界环境温度的检测； 4测量温度范围 0 -70 ； 50-7V 对应温度范围为 0 -70 。可用万用表观察； 6温度传感器给定，采用 Pt100 热敏电阻； 7提供元器件 LM358、TL431、阻容元件； 8完成电路设计及仿真。通用电路板上对设计的电路图进行实物连接和调试。 二、方案设计与论证 1. 硬件框图以及简要原理概述 图 1 硬件框图 本电路通过电源模块给温度感应模块提

2、供一个稳定的电源使其正常工作。通过隔 离网保证电源模块和温度感应模块的工作不受后置模块的影响。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到加减运算放大模块得到 一个设定好的电压值。 2. 电源模块以及温度感应模块的设计方案 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。 电 源 模 块 隔 离 网 络 模

3、块 信 号 放 大 模 块 加 减 运 算 放 大 模 块 温 度 感 应 模 块 图 2 恒流源电路 本电路中恒流源电路是基于 TL431 稳压集成电路设计的高精度恒流源，电路图如 图 1 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 500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

4、。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。 3. 隔离网络模块 为了使后面的模块不影响电源模块和温度感应模块的正常工作需要将后面的模 块和这两个模块隔离开来，一下设计了两种方案。 方案一： 图 3 隔离网络设计方案一 该方案能将电源模块和温度感应模块和后面的模块彻底的隔离开来， 减小误差， 但是这样成本比较高，后面的信号放大模块和加减运算模块只需要两个集成运放， 而 LM358P 一个芯片只集成了 2 个运放，如果隔离网络用掉 3 个运放就必须用掉 5 个运放，也就需要 3 个 LM358P

5、芯片，而这样还会剩余一个运放没有用上又照成了 浪费，所以这个方案虽然能在很大程度上减少误差，但是制作成本比较高。 方案二： 图 4 隔离网络设计方案二 在方案一中我们使用了三个集成运放需要 3 个 LM358P 芯片，照成了浪费，为了 节省成本减少了一个运放，这样整个电路只需要 2 个 LM358P 芯片。考虑到把后端电 路对前端电路照成的影响尽量减小，我们必须使经过 Pt100 的电流保持恒定，而且还 要尽量和经过 R2 的电流相等，考虑到这两个因素去掉方案一中的第一个运放对这个 电路的影响最小。故综合考虑，选取该方案作为最终方案。 4. 信号放大模块 由于热敏电阻 Pt100 的电阻对温度

6、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。 表一 Pt100 分度表 图 5 信号放大模块 该模块中使用的运放依旧是 LM358P，同相输入的通过一个电阻和和 Pt100 的一 端相连， 反相端通过一个电阻和一个电压跟随器和Pt100的另一端相连， 通过设置R4、 R6、R7、R8 的阻值以及调节电位器 R13 的阻值可以设定和改变其放大倍数，电位器 R13 的作用主要是电路的调零，使得电路最终输出电压尽量接近设定值。根据 Pt100 的温度特性以及恒流源提供的电流值和 TL431 参考

7、端提供的恒定的电压值，在理想情 况下可以将该放大模块的放大值设为 25 倍左右， 使得当温度为 0 度时该信号放大模块 输出端的电压正好为 2.5V，就能通过减法器和 TL431 参考端 2.5 相减得到初始值 0V 的电压，这样当温度变化时电路的最终的输出端的电压就可以随温度的改变发生相应 的线性变化。 5. 加减运算模块 该模块依旧使用 LM358P 的集成运算放大器对放大后的信号进行处理，使得最终 得到的电压值是一个设定好的值，如当温度为 0 度时最终的输出端电压为 0，当温度 为 10 度时输出端电压为 1，依次类推。这样我们就能通过测量最终的输出电压来直观 的得知周围环境的温度。 图

8、 6 加减运算模块 如图 6 所示，该模块的同相输出端通过电阻 R9 和信号放大模块的输出端相连， 反相输出端和 TL431 的参考端相连，使得两电压值相减并放大一定倍数后输出设定的 电压值。根据 Pt100 的温度特性可计算得该模块需要放大的倍数为 10.4 倍，这样就能 使输出电压约为检测到的温度的 0.1 倍，具体计算过程在下一部分的内容中会给出。 三、 单元电路设计与参数计算 1. 电压模块和温度感应模块参数设定与仿真调试 图 7 电源模块调试 用于分压的 R1 区标称值 510 K。 R2 的阻值根据公式 I=V/R2， 为产生 1mA 的电 路需要设定 R2 的阻值为 2.5K，但

9、是没有 2.5 K不是标称值，于是直接选用标称 值 2.4 K的电阻。对于 R5 的阻值，考虑到 Pt100 两端的电势不宜太高（Pt100 两端 均与集成运放相连，如果接入集成运放的电压过高，接近电源电压 12V 或者输出电压 接近 12V 会使集成运放无法正常工作） ，以及三级管 Q1 需要工作在放大区，R5 的值可 相应取高点，大概可取 2 K到 8 K之内的阻值，这里取 4 K进行仿真。仿真时测 得 TL431 参考极的电压为 2.494V 相当接近 2.5V，通过 Pt100 的电流值为 1.028mA 和 1mA 的差值在误差允许范围内，可通过后面信号放大模块中电位器的调节来进一步

10、消 除误差。故通过仿真电压模块和温度感应模块的参数设定恰当，电路能按照预先设定 的状态工作。 2. 隔离网络模块参数设定和仿真调试 图 8 隔离网络模块调试 该模块通过用 LM358P 的集成运放搭建的电压跟随器电路构成一个隔离网络，直 接用最简单的方法搭建网络，一个电阻都不需要。通过仿真测得 U2A 的输出端口和同 相输入端口的电压均为 6.734V，U2B 的输出端口电压为 2.494，与之前在 TL431 参考 极两端的电压值相等，故该模块设定正常，模块电路正常工作。 3. 信号放大模块的参数设定以及仿真调试 图 9 信号放大模块调试 由于 Pt100 在 0 度的情况下阻值为 100，

11、通过 1mA 的电流后电压为 0.1V，为了 使其放大后的电压和标准的 2.5V 相减后输出 0V 的初始电压，故该模块的放大倍数设 置为 2.5V/0.1V=25 倍。但是由于电路中各个因素照成的误差的影响，需要在这个模块 中添加一个电位器来调整放大倍数，实现调零作用，减少误差。 该模块中的阻值先安装理论上的 25 倍来设定， 先令 R7=R8+R13， R4=R6， 根据公式， 该运放的放大倍数为R7/R4，故取R7= R8+R13=25K,R4=R6=1K，R13使用 5 K精准电位 器，R8 使用 22 K的电阻。通过仿真测得 U3A 的输出电压会随着 R13 阻值的变化而变 化，当

12、R13 的阻值正大时输出电压减小，R13 阻值减小时输出电压增大，输出电压可 以调整到 2.5V 左右，故该模块工作正常，能实现设定的功能。 4. 加减运算模块的参数设定以及仿真调试 图 10 加减运算模块调试 为了使相减后输出端的电压值是温度的 0.1 倍以便直观的得出温度值，故温度每 变化 10 度输出电压变化 1V。根据 Pt100 的分度表得知温度每变化 10 度 Pt100 的电阻 平均增加(134.71-100)/9=3.857， 通过 1mA 的电流时 Pt100 两端的电压增加 3.857mV， 再经过信号放大模块放大 25 倍后电压增量为 0.0964V，故可将该加减运算模块

13、的放大 倍数设定为 1V/0.0964V10.4 倍。 对于阻值的设定，可令 R11=R12，R9=R10，根据公式电压放大倍数为 R12/R10，则 取 R11=R12=10.4K， R9=R10=1K。 经仿真调试， 可将 Pt100 的阻值先设置为 100， 经过对 R13 阻值的调整可将该模块的输出电压调到尽量接近零，但是由于各种误差的 原因， 为了让其输出电压约为温度的 0.1 倍， 还需要调整其他温度情况下的输出电压， 依旧是要通过 R13 的调节来实现，最终可调整到一个能尽量让输出电压是温度的 0.1 倍的情况，表明该模块工作正常，能按照设定的情况输出电压，同时也正面整个电路 设

14、计成功。 四、 总原理图及元器件清单 1. 总原理图 图 11 温度检测电路总原理图 2. 元件清单 元件序号 型号 主要参数 数量 备注 U2, U3 LM358P 2 U1 TL431ACLP 内基准电压为 2.5V 1 Q1 9013 1 R4,R6, R9, R10 4 环电阻 1k 4 R7 4 环电阻 25 k 1 R8 4 环电阻 22k 1 R11，R12 4 环电阻 10.4k 2 R13 5 k 精准电位器 5 k 1 R1 4 环电阻 510 1 R2 4 环电阻 2.4k 1 R3 Pt100 热敏电阻 1 R5 4 环电阻 4k 1 五、 性能测试与分析 做实际的电路

15、板时为了调零的需要先将 Pt100 用 100的电阻来代替，模拟出一个 外界温度为 0的环境，以便于通过对电位器的调节使其输出电压为 0V。先检查电路各 个模块是否能正常工作，如 T431 的参考极的电压是否为 2.5V，代替 Pt100 的 100电阻 两端的电压是否是 0.1V，通过对信号放大模块中的电位器的调节是否能正常影响信号放 大模块和运放加减模块的输出电压。将电路板调试正常后，调节电位器使电路最终输出 端的电压降到 0V，但是在实际调节中输出电压调节到 0.6V 时就没有办法继续下调了， 由于输出电压是随电位器的电压上升而下降的， 故可能是和电位器串联的电阻 R8 设置得 太小了。

16、将 100电阻拆下换上 Pt100 热敏电阻进行实际测量,测得电压为 2.1V，测得的 温度为 21，而这时用标准的温度传感器测得的温度也为 21，在用 Pt100 测体温，测 得 3.6V，为 36，误差很小，电路设计成功。故前面的 0.6V 的误差可能是其他原因照 成的，但是由于没有尝试其他标准温度的测量还不能对产生误差的原因进一步分析。 六、 结论与心得 1. 结论： 根据电路板的测试结果表明电路工作正常，能实现设定的功能，达到指标要求， 但是对低温的测量可能存在着较大的误差。 2. 心得： 通过这次的课程设计我掌握了一些简单的设计过程和调试方法。在设计一个电路 时可以先查阅相关资料，然后先确定电路中各个模块要实现的功能以及基本指标，再 对各个模块进行初步设计，确定对各个模块中的器件的型号和常数，最后将各个模块 联系起来再进一步进行调整。将设计好的电路放到仿真软件上进行仿真，观察电路以 及各个模块能否按设定的状态工作，能否实现设定的功能，最终结果是否正确，