基于PT100热电阻的简易温度测量仪

本文首先简要介绍了铂电阻PT100的特性以及测温的方法，在此基础上阐述了基于PT100的温度测量系统设计。在本设计中，是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D转换器进行温度信号的采集。通过对电路的设计，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在0℃～100℃范围内达到±0.1℃。
　　本文采用STC89C52RC单片机，TLC2543 A/D转换器，AD620放大器，铂电阻PT100及液晶系统，编写了相应的软件程序，使其实现温度及温度曲线的实时显示。该系统的特点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。
　　关键词：
　　PT100 单片机 温度测量 AD620 TL431
　　Abstract
　　This article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method， on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100. In this design， it is use a PT100 platinum resistance as temperature sensor， in order to acquisition the temperature signal， it use of constant-current temperature measurement method and use single-chip control， Amplifier， A / D converter. It can still improve the perform used two-wire temperature circuit and reduce the measurement eror. The temperature precision is reached ±0.1℃ between 0℃～100℃。
　　The system contains SCM（STC89C52）， analog to digital convert department （TLC2543）， AD620 amplifier， PT100 platinum， LCD12864， write the corresponding software program to achieve real-time temperature display. The system is simple ， accurate ， stable and wide range.
　　Keywords：
　　PT100 MCU Temperature Measures AD620 TL431
　　目录
　　前 言 4
　　第一章 方案设计与论证 6
　　1.1 传感器的选择 6
　　1.2 方案论证 7
　　1.3 系统的工作原理 8
　　1.4 系统框图 9
　　第二章 硬件设计 9
　　2.1 PT100传感器特性和测温原理 9
　　2.2 硬件框图以及简要原理概述 11
　　2.3 恒流源模块测温模块设计方案 11
　　2.4 信号放大模块 12
　　2.5 A/D转换模块 15
　　2.6 单片机控制电路 18
　　2.7 显示模块 19
　　第三章 软件设计 19
　　3.1系统总流程的设计 19
　　3.2 主函数的设计 20
　　3.3 温度转换流程图的设计 21
　　3.4 显示流程图 21
　　3.5 按键流程的设计 22
　　第四章 数据处理与性能分析 23
　　4.1采集的数据及数据处理 23
　　4.2 性能测试分析 23
　　第五章 结论与心得 24
　　1 结论 24
　　2 心得 24
　　附录1 原理图 25
　　附录2 元器件清单 26
　　附录3 程序清单 27
　　前 言
　　随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
　　传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。
　　为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一温度测量系统。文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以及实现热电转换的原理过程。
　　本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量显示系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、生产温度监控系统等等。本课题主要任务成环境温度检测并显示温度和实时的时间。设计后的系统具有操作方便，控制灵活移植性强等优点。
　　本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数据处理与控制模块，温度、显示模块六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度测量与显示，完成了课题所有要求。
　　第一章 方案设计与论证
　　1.1 传感器的选择
　　本设计目的是式设计一个测温系统。首先要考虑的就是温度传感器的选择。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。
　　热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±0.5℃，一般有±2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。
　　热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。
　　非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。
　　由于本设计的任务是要求测量的范围为0℃～100℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从－200℃～＋650℃。具体在0℃～100℃的分度特性表见附录A所示。
　　1.2 方案论证
　　温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。
　　方案一：采用模拟分立元件
　　如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。
　　方案二：采用温度传感器
　　通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过液晶显示温度。
　　热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃～650℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻PT100作为传感器。该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器，TLC2543作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。
　　1.3 系统的工作原理
　　测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机STC89C52RC，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到液晶进行显示。
　　1.4 系统框图
　　本设计系统主要包括温度信号采集单元，单片机数据处理单元，时间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A/D转换电路。
　　系统的总结构框图如图1-1所示。
　　 图1-1 系统的总结构框图