PT100+TL431+AD620+TLC2543多路温度传感器的设计-竞赛型新创实验项目结题验收报告

1. 研究背景、意义

在工业生产过程中，温度一直都是一个很重要的物理多数，温度的检则和控制直接和安全生产，产品质最，生产效率，节约能源等戚大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领城中都受到了人们的普遍重视。随着传感器技术和电子测最技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已r广泛应用于工业现场，新型的电子测温仪器不仅操作简单，而日精度比传统仪器有很大提高。日前在工业生产现场使用最广泛的温度传感器主要有热电偶和热电阻，例如铂热电阻PT100就是使用最广泛的传感器之一， 本文介绍的就是PT100的温度研究。PT100在-50~ 600'C范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等中，正是基于此，PT100在各个行业中受到广泛应用。本文设计了一款基于PT100的多路温度巡检仪，可同时测里多路PT 100信号，并通过数码管循环显示各路温度值，且具有按键电路，可进行报警温度的调节。

2. 项目简介

本文介绍了铂热电阻PT100的特性和PT 100温度和阻值对应关系，通过恒流源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LED输出温度值。

• 温度传感器的设计
  

PT100铂电阻在高温下物理化学性质稳定，精度高稳定性好性能可靠，工作范围是-200℃~650℃，电阻温度关系的线性度非常好。

在0℃~650℃，Rt=Ra(1+At+Bt^2)

在-200℃~0℃，Rt=Ra（1+At+Bt^2+C(t-100)t^3）

式中，ABC为常数，A=3.96847*10^3  B=-5.847*10^7  C=-4.22*10^12

Pt100铂电阻的接线方式主要有两线式和三线式和四线式。四线精度最高，三线也可以，两线最低。Pt100温度传感器0℃时电阻值是100欧姆，电阻变化率是0.3851欧姆每摄氏度。由于其电阻小，灵敏度高，所以引线的电阻不能忽略，采用三线法可以消除引线线路电阻带来的测量误差。原理如下：

PT100引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3),测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻(Rpt100)作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根(r1)接到电桥的电源端，其余两根(r2、r3)分 别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

当r4*( rx+r2+r3 ) =r5* ( Rpt100+r2+r1)电桥平衡, V1=0
当Rpt100受温変化后,电桥不平衡,V1≠0

（2）运放的设计

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。

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。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1500欧姆的电阻。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。由于通过Pt100的电流需要在1^ 1. 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。

• 放大器AD620
  

AD620是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置1~ 1000倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的数据采集系统。AD620的内部结构是由0P-07组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放IC电路设计，其基本接法是在1脚与8脚之间外接一RG电阻，增益由式G=1+49. 4千欧姆 /RG确定。我们的温度测量范围是-200℃~650℃，而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为18.52欧姆~329.64欧姆。

• AD转换芯片
  

TLC2543是12位串行接口的AD转换器，它使用开关电容主次逼近技术完成AD转换，具有11路模拟输入，输入电压范围是0~Vref,Vref是最大可达芯片的电压5V，它的分辨率高为12位。需要注意的是，单片机每次读出的转换数据是上次模拟通道的转换数据而非本次操作输出的转换数据。

2.显示

仪器的显示分辨率为01C在现场已足够使用.所以用5位LED数码管来循环显示路数和该路的正负温度值。为节约硬件电路资源，选用5片74HC164串入并出芯片作为数码管的动态显示驱动电路，显示数据可由CPU的空闲串口RXD和TXD送出显示，这种电路与CPU接口简单.占用CPU软硬件资源少.且价格低廉.在显示位数不多的仪表中使用有非常高的性价比

3.按键

按键电路来完成各路温度报警值的设置，至少需要3个键盘来实现此功能。其中一个作功能键兼作路数选择键一个作加一键，一个作加十键，可方便地在任何时刻对仪表的温度报警值进行设置。

用变阻箱代替PT100模拟温度变化时阻值的变化。程序运行时，在一一定范围内扭动变阻箱，液晶显示屏上将显示此阻值对应的温度值。可知对应值是否正确。本设计中，是以温度采集及检测为总目标，以单片机最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度采集电路、  A/D转换单元、LCD液晶显示等等。

在科学和工程问题上可以通过租入采样、实验等方法或得若干离散的数据，根据这些数据，我们往往希望得到一个连续的函数(也就是曲线)或者更加密集的离散方程与已知数据相吻合。这个过程叫拟合。插值是曲线必须通过已知点的拟合，是离散函数逼近的重要方法,利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其它点的近似值。由于PT100与温度近似呈线性关系，故采用线性插值法。在本次程序设计中运用了两次线性插值计算出最终的温度值，第一次根据AD值算出PT100的阻值，之前先用标准电阻来标定AD值，即自50Q到220Q每间隔5Q测一个AD值，制成表格，再由插值法计算出PT100的实际值。第二次根据阻值算出对应的温度值,在阻值与温度的表格中用插值法计算出当时的温度值。

通过本次竞赛创新型实验的课程设计让我们三个人收获良多。从一开始对单片机的了解到后来的渐渐熟悉，深切的体会了单片机的魅力。我们三个人不仅学到了利用51单片机设计温度传感器的相关知识，跟在课程设计当中锻炼了我们的团队合作能力和反复推敲验证的求学精神。从最开始对实验器材的选择，我们学了8209的AD转换器，后来发现对于PT100铂电阻来说转化精准度不够。本着提高精度的设计精神我们选用了精度更高的AD转换器。对于设计电路来说，巧妙地运用了黄老师讲的恒流源电路，不仅提高了实验精度而且使电路的设计更加合理。除此之外，我们一共选用二零三套实验方案，分别为两线三线和四线的设计电路。讲三个电路进行反复比较，最终选定了三线桥式电路，可以有效地减少传输线路带来电阻影响。可以说我们的设计是从最初的“粗制滥造”到最后精益求精的一个过程。我们三个人在这一过程中着实收获良多。、