PT100温度采集电路zrj.docx

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1、黄山学院课程设计说明书专 业：12自动化班 级：卓越班学生姓名：吴金猛指导教师：成 绩：课程设计任务书课程设计题目Pt100温度传感采集电路功能技术指标Pt100做一个温度显示仪器，温度 范围-20到600度，精度0.1度。工作量一周工作计划1,2天了解pt100,采集信息3,4天做pt100的仿真电路5,6天总结并做报告指导教师评语第一章绪论第二章电路的方框图第三章单元电路设计、参数计算和器件的选择第四章整机电路的工作原理第五章电路的调试与组装结论收获与体会致谢参考文献注：各章节标题均用三号黑体、各个章节中的1级标题均为参考文献至少有5篇。例：第一章绪论1.1设计技术要求做一个pt100的温

2、度传感采集电路。2设计目的了解，掌握一些简单路电路的设计。第二章电路的方框图、温度显示仪表系统概述T/Cl就意味1）课题要求：PT100做一个温度显示仪范围-20度到600度，精度2）系统初步设计分析温度影响PT100的电阻，也6005004003002001000/i00200300 Rpt (2)-100 f/-200-着，只要测出PT100的电阻，就能测出温度，而电阻可以由设计的电路测电压或 者电流计算出来，然后再将电压或者电流的模拟信号被系统采样量化转化为数字 信号，再由系统进行换算，其中因为PT100的工作电流不能太大1mA左右，相应 电压信号会比较微弱，所以需要放大信号，以便于后面

3、AD采样。而这个课程设计是温度显示仪表系统，所以系统主要分成三个部分，1) 是数据采集，也就是PT00的电路选择，信号的放大和AD转换。PT100的 采样有两种，电阻接法有三中；为了防止非线性误差，有经过两级放大的，AD 采样需要考虑采样倍数2) 是数据处理，将采集到的数据还原成温度，主要涉及两方面，一是滤波处 理，二是转换为温度3) 数据输出也就是显示部分，在显示管上显示相应的数据其中，数据采集部分应当是重点，因为它影响了整个系统的准确度，要克服 电路本身被外界环境的影响，而数据处理应当注意数据的换算，显示部分相对比 较简单。3)关于PT100系统的一些简单数值估计PT100温度传感器是一种

4、以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系 数，由于它的电阻一温度关系的线性度非常好，如上图所示，看起来非常接近于 直线。因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+a T)其中a =0.00392, Ro为100Q (在0C的电阻值)，T为华氏温度。但是对于此次课程设计，这个精度显然不够。又找到了以下关系表达式子。 其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：在0650C范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000C范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C为常数，A=3.96847X10-3；B=-5.847X 10-7

5、；C=-4.22X10-12；所以这次课程设计的最高电阻值约为R=R0 (1+At+Bt2)H= 100 (1+3.96847X10-3*600+-5.847X10-7*600*600) 314.059。最低电阻值约为R =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)L=100(1+3.96847X10-3*-20+-5.847X10-7*-20*-20+-4.22X10-12)92.16。约跨度 Rh -Rl=222。其中跨温度620 C,采样精度0.1也就意味着差不多6200个采样点,每个采 样点平均分摊0.0358。的电阻。通过查阅PT100的使用说明得知，PT100的工作电流理应不

6、超过1mA,所以两 端电压值的变化量需要被检测出来的最大分辨率应该是1mA*0.0358。=0.0358mVPT100两端的电压值的取值范围大概为0.092V0.314V6200个采样点需要13位二进制来表示，所以AD转换器需要分辨率13位以 上，一般取16位AD转换芯片就好了。比如ADS7825,满量程10V，那么LSB差 不多应该是10/26= 0.15625V=0.1525mA所以放大电路的放大倍数起码是5倍以上。至于采样速度，应该更多地取决于AD转换器，查资料可知，ADS7825采样及 转换时间：25 p s，ADS7825自带了时钟，也可以外置时钟，应该如果外接时钟 的话，可以改变采

7、样速度。但是如果考虑到滤波需要多采样几次的话，那么采样 速度要变成原来的1/N倍，即速度变慢，N为一次测温的采样点数。二、系统构成1) PT100的电路选择常用的采样电路有两种：一是让恒流源通过Pt100热电阻，通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度。二是采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒 定的，另一个用Pt100热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势 差，由此电势差换算出温度。常用的Pt电阻接法有三线制和两线制还有四线制，其中三线制接法的优点 是将PT100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以 消除。其实也有四线的，四线接法较为复杂，精度也更高

8、，但是这里并不需要， 三线制可以消除导线电阻。所以最终选择三线制接法桥式测温电路，即选择惠斯顿电桥，三线制接法， 如下图所示。至于具体三线制的优点见附录。2)采样信号的滤波由于外界干扰或某些不可预知的因素，比如电路干扰或者外界噪声，模拟量 在受到干扰后，经A/D转换后的结果偏离了真实值，可能会出现一些随机的误 差，如果只采样一次，无法确定结果是否可信。滤波电路或由运放和R、C组成的有源滤波器。而数字滤波则是采用软件算 法实现滤波的。为了减少干扰，所以我们在采集了信号之后，肯定要在最后转化为温度之前， 因为数字滤波的处理比模拟滤波实现起来方便，但是缺点是耗费更多地计算时 间。数字滤波的前提是对同

9、一数据进行多次采样，一般有以下几种方法：1. 中值滤波：一般采样5、7次，排序后取中间值。2. 算术平均滤波：一般采样8次，求平均值。3. 去极值平均滤波：去掉最大最小值后求平均值一般采样10、12次。4. 加权平均滤波：各加权系数之和为1。5. 滑动平均滤波：本次采样值和前n次采样值求平均。数据滤波方法选用要视现场环境和被测对象而定，在本系统中采用的是去极 值均值滤波，因为算术平均滤波不能将明显的脉冲干扰或粗大误差消除，只能将 其影响削弱效果应该没有去极值均值滤波的好。以去极值平均滤波为例，算法原理如下：对于温度信号对应的电压采样值， 连续采样n次，将其累加求和，同时找出其中最大值和最小值，

10、再从累加和中 减去最大值和最小值，按n-2个采样值求平均，即有效采样值。100k3) PT100的线性化处理温度L标准电阻值Q1/3DIN B级B携温度误差笆阻值误差Q温度误差r阻伉设差Q，:，-:|阻值误差Q20018.52:.1 0. 160.550. 24i-10060. 260. 270. 100.350. 11T i0100. 000. 100. 010. 150.06/100138. 510. 270. 100-350.13Ti+1/200175. 860. M0. 160.550.2。30。212.050.610. 230.750.27Th/100247.090. 780. 30

11、0.950. 33Tiyo00280. 980.950. 361. 150.38/- -1. 120. 131.350. 13-329.611. 200. 161. 150. 16/ FI r i 11 寺 1 1误若数据表(绝对值)表4如表所示，对于原来的模型，虽然很 拟合线性，但是距离0.1的误差还是有一 定距离，想要获得精确的数据，最容易想 到的，一个是存储温度，电阻对应的表， 一个是建立精确的数学模型。但是6200 个采样点一一对应，根本需要很大的存储 空间，所以是一个不现实的问题，单纯拟 合的数学模型也会非常复杂。所以这里大多数时候，大家采取折中 的方案，即存相隔一定距离存一部分的表

12、 格，然后中间的数据采取插值或者最小二 乘法拟合，这样一来就能达到精度要求，BrTE=D D1& DU DI 3 012 D11BY1TE-1 07 D5 D3彳:OJpF 1 即FQ 5bUsvC+SV BYTE0公式不会很复杂，也不需要占用很多存储表格的空间。Convert Pdsan 一I40n9i mlnYD1Q D9 03PS IU1 POPT100的温度分度表是能够找到的， 见附录。假设从-20C到600C每五个温度值选一个标记点，那么就一共有125个标记 点，在单片机的ROM里面存储着125个点的电阻和温度对应值。采用线性插值算法进行标度变换时，将检测值Rx通过顺序查表，与标定点

13、Ri比较，确定区间Ri RxR i+1，然后进行线性插值算法求得温度值Tx。例：现经A/D采样和滤波得Pt100的电阻值为Rx=112.68Q求此时实测对象 的温度Tx。已知查表得 R46RxR47, R46 = 111.67Q R47 = 113.61QT46=30C,Tx=T46+5*(Rx-R46)/(R47-R46)=32.06 C所以此时温度为32.064) AD采样电路这个芯片支持串行并行数据的输出，不能输出在BUSY脚输出为高电平之前, R/ C必须置为高电平，否则会导致数据尚未压输成的转换就已开始，从而使数 据丢失。其中2,3,4,5个接口是模拟电路的输入接口。AIN 0AIN

14、 3 : 4个模 拟通道，可接受-1 0. 010. 0V的模拟输入电压；B YTE :并行数据输出选择位，仅在数据作并行 输出时使用。B YTE = 1时，输出低8位D0D7 , B YTE = 0时，输出高8位D0D7三、电路原理图PT100以及放大电路显示电路本设计采用6个LED共阳极数码通过三极管驱动来进行时间温度数据的显 示。其中数码管的段码位分别接单片机的P0 口，公共端通过三极管接到单片机 P2.0P2.5端对数码管进行位选。其电路图如下图所示。LED1LED2数码管码段端四、软件框图完整流程图主程序负责调用初始化子程序，打开中断以及等待定时和串口中断程序的发生主程序流程图定时中

15、断程序负责调用采样，串口发送子程序滤波子程序流程图附录1:简单的电阻到电压的转换图1的电路是一种简单的电阻到电压的转换形式，电压源激励（VCC=5V）, R1是串联分压电阻，R2和R3分别PT100的引线电阻，RD是PT100。我们先不考 虑引线电阻 R2 和 R3,在 0C时 Rd=100。, VF=2.5V；在300C时，Rd=212。，则 VF=3.397V,整个电压测量范围为2.5V3.397V，而AD的量程为0-5V，待测信 号的电平测量范围仅为AD量程的1/5，无法充分利用AD。如果考虑引线电阻R2和R3,则VF不再是PT100电阻R1的分压值了，还应 该包括引线电阻，引线电阻给系

16、统设计带来了误差。由此可见，充分利用用AD的量程，消除引线误差是PT100测温电路设计的 要点。图12、两线制PT100电压源激励桥式电路图2是两线制PT100桥式测温电路，如果测温距离较短，可以不考虑引线电 阻的影响，则在 0C时，VF1=VF2=0.238V， VF= 0V，在 300C时，VF2 不变， VF1=0.479V， VF= 0.241V。在传感器的后端电路中，只需要通过减法电路，得 到VF1和VF2的差值，再做适当的放大，就可以满足AD的大部分量程，且电压 采样值可以从零起调。如果是长距离测温，不能忽略引线电阻的影响，则两线制电压源激励桥式电 路仍然不能满足系统的需要。Rd2

17、归SI图33、三线制PT100恒流源激励桥式电路图4是三线制电流源激励桥式电路。三线制PT100中，电阻一端是一根连线， 另外一端接2根连线，三根线的电阻值相等。在桥式电路中引入了恒流源激励。VCCCJ) IS1 () IS2Rtl攻/%1什 VF2Rt2Rt3图 4 中，VF1=(Rt1+Rt2+Rt)*IS1，VF2=(Rt2+Rt3+Rd)*IS2, IS1=IS2=1mA， Rt1二Rt2二Rt3，所以，AVF=(Rt-Rd)*IS1，其中Rd和IS是固定的值，可见差 分电压只与PT100的电阻值有关，三线制电流源激励的方式，可以完全消除引线 电阻带来的影响。在本设计中要求远距离测温，

18、在传感器的前端电路设计中，采 用三线制PT100恒流源激励桥式电路。附录2：温度特性表-2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.8089.4089.0188.62-1096.0995.6995.3094.9194.5294.1293.7393.3492.9592.550100.0099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.480100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85

19、106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660123.24123.63124.01124.3912

20、4.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5280130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.40140.78141.16141.54141.91110142.29142.6714

21、3.05143.43143.80144.18144.56144.94145.31145.69120146.07146.44146.82147.20147.57147.95148.33148.70149.08149.46130149.83150.21150.58150.96151.33151.71152.08152.46152.83153.21140153.58153.96154.33154.71155.08155.46155.83156.20156.58156.95150157.33157.70158.07158.45158.82159.19159.56159.94160.31160.6816

22、0161.05161.43161.80162.17162.54162.91163.29163.66164.03164.40170164.77165.14165.51165.89166.26166.63167.00167.37167.74168.11180168.48168.85169.22169.59169.96170.33170.70171.07171.43171.80190172.17172.54172.91173.28173.65174.02174.38174.75175.12175.49200175.86176.22176.59176.96177.33177.69178.06178.4

23、3178.79179.16第四章电路的工作原理热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特 性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是伯和铜，现在已开始采用 镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算。 pt100,就是说它的阻值在0度时为100欧姆，负200度时为18.52欧姆，200度 时为175.86欧姆，800度时为375.70欧姆。热电阻公式 Rt=Ro(1+A*t+B*t*t);Rt=Ro1+A*t+B*t*t+C(t-100)*t*t*t的 形式，t表示摄氏温度，Ro是零摄氏度时的电阻值，A、B、C都是规定的系数， 对于Pt

24、100,Ro就等于100，Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200C+850C ；允许偏差 值C： A 级(0.15 + O.OO2|t|)，B 级(0.30 + O.OO5|t| )；热响应 时间30s ；最小置入深度：热电阻的最小置入深度N2OOmm ；允通电流W5mA。另 外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。看到了？电流不能大于5mA，而电阻是随温度变化的，所以电压也要注意。为了提高温度测量的准确性，应使用1V电桥电源、A/D转换器的5V参考电源要 稳定在1mV级；在价格允许的情况下，Pt100传感器、A/D转换器和运放的线性 度要高

25、。同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在0.2C。第五章总结这次设计让我们得到了更多的经验。做事情之前要仔细思考，不要盲目要勤于 动脑；当我们完成焊接并没有完成预期的效果，我们要有耐心，细心慢慢检查， 不要气馁，这样我们才能顺利完成设计。总的来说，这次设计使我们学到的知识得到应用，使我们知道了实践的重要。致谢最后祝愿老师工作顺利，身体健康，万事如意！同时也祝所有的同学学业有 成，前途无量！参考文献1. 邱关源.电路.北京：高等教育出版社，2006.52. 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.53. 翟玉文，梁伟，艾学忠，施云贵.电子设计与实践.北京：中国电力出版 社，2005.54. 于军，王庆伟，李晓红.电工实验.北京：中国电力出版社，2010.125. 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.5