课程设计论文-基于铂电阻的数字温度计的设计

课程设计论文-基于铂电阻的数字温度计的设计内容摘要：

较高的场合。 后者对被测设备进行数据采集并转换成数字信号，经由现场总线上传至上位机，经上位机进行处理后，对现场设备进行控制，适用于对多个现场设备进行远程监控与维护的场合。 数据采集系统的任务：采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机 能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。 与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统大多采用单片机作为微处理器，以此来测量各种参数的大小，并将测量值通过串口传输到上位机。 采用这种设计，系统制造简单、成本低。 本文就介绍了一种以 MSP430单片机为核心的数据采集系统， Pt膜温度传感器的参数经过电路转换后成为可测量的参数，传给上位机完成 Pt膜温度传感器性能参 数的测量。 本课题研究的内容 （ 1） 通过查阅国内外相关文献资料，了解数字温度计的发展历程，对数字温度计的现状，技术水平和发展趋势有一个初步的认识和了解； （ 2） 研究温度传感器的理论原理和发展应用； （ 3） 研究温度的采集过程，将微弱的模拟信号进行放大，及其通过 atmega16单片机处理过后怎样将温度显示出来； （ 4） 研究由于温度与电阻值的非线性变换，采用怎样的校正电路进行校正。 信息工程学 院课程设计（论文） 5 2 总体设计方案 提出总体设计方案 根据数字温度计题目的要求，提出以下几种方案： 方案一： 采用了最简单的方式，就是将传感器输出的信号，经过 D/A转换后直接显示。 方案二： 采用 MAXIM公司生产的 DS18B20来采集温度， DS18B20是采用 1— wire总接口的数字温度计，测量温度范围为 55℃ — +125℃，精度可达到 0。 0675℃，最大转换时间为 200ns。 这器件可用一根引与处理器相连，以串行方式将数据送到处理器，经处理器处理后直接显示。 方案三： 采用 pt100热电阻作为温度采集的传感器，把采集到的温度直接送到 atmega16单片机，经过 atmega16单片机处理后送到显示器，显示器将显示采集的温度， 总体设计方案论证 四种方案的比较 （ 1）控制部分 方案二、三都采用了单片机作为控制，作为一种新型的微处理器，可以通过智能编程的方式，可以进行扩展，而且能够具有超温报警和自动控制功能。 而方案一没有采用控制，直接把温度显示出来就完了。 这样就只能完成对温度的显示。 （ 2）传感器部分 方案一、三的传感器可以选一样，可以选热敏电阻和其它的传感器，但我们这里选用了pt100。 方案二采用的传感器是 DS18B20，这种传感器虽然硬件简单，但是成本较高。 所以传感器 D/A 显示器 DS18B20 单片机 显 示 键盘 Pt100 温度传感器 单片机 显示 键盘 放大器 信息工程学 院课程设计（论文） 6 没有采用这种传感器。 （ 3）显示部分 方案一采用的是一种将十进制转换成七段码的 ADC，可以采用 ICL7106来将采集到的温度进行显示，这种方案很简单，但是它的可控性很差，只能进行显示。 方案二、三都是采用了单片机在内部远算之后，才由显示部分显示出来。 在上面几种方案中，虽然它们各自有自已的优点，特别是第二种方案，它的硬件很简单，只要把程序写好，就能够运行了。 可是为了将学的知识系统的组合起来，我选择第三种方案，此方案不仅用到了单片机，还用到了模电和数点知识。 系统很容易进行扩展。 信息工程学 院课程设计（论文） 7 3 测量电路理论基础 铂电阻的选取 早在十九世纪末，人们就开始使用电阻法进行温度测量。 1871年西门子 (C． w． Simens)把铂丝绕在粘土上，然后再套上铁管构成电阻感温元件，作为测 温的工具。 直到今天，铂电阻依旧是国际实用温标中的一种重要的内插仪器。 它 的下限温度已经延伸到平衡氢三相点温度 ()，并且人们还在努力把它的 上限点提高到银的凝固点 (+176。 C) 或金的凝固点 (+176。 C) ，并用它来 替代精确度稍差的铂铹一铂标准热电偶。 铂电阻的特点 任何 物体的电阻都与温度有关，因此，都可以用它们来测量温度．但能满足实际要求的不多．因为实际温度测量元件不仅要求有较高的灵敏度而且要求有较高的稳定性和复现性，金属热电阻是最普遍的一种，其最大的特点是稳定性好，以铂电阻的精度最高．它不仅广泛用于工业测量，更重要的事它还能制成标准的和基准的温度计．铂热电阻的特点为： （ 1） 有较高的电阻一温度系数  ，  表示为 11..dR dRR dt R dt   （ ） 式中， R为热电阻的阻值， dR/dt为热电阻的电阻值随温度的变化率．一般电阻温度系数与金属的纯度有关，金属愈纯则  值愈大，电阻与温度的关系并非线性关系，故多用温度 R100和 R0的电阻比值 RIOO／ Ro代表 0176。 C 一 100176。 C 之间的平均温度系数，如 pt= 103[1/K] Cm= 103[1/K] Nt= 103[1/K] （ 2） 材料的电阻率大．这样可以是热电阻的体积做得更小，测温时的热惯性也小：另外电阻率较大时，可用较短较粗的金属丝制造 R0值较大的热电阻体，从改善机械性能和稳定性．如在 0176。 C 时，则  pt= 108[ .m]  Cm= 108[ .m]  Nt= 108[ .m] （ 3） 已得到高纯材料，易提纯，复制性好，互换性好。 信息工程学 院课程设计（论文） 8 （ 4）满足对温度传感器的基本要求．如灵 敏度大，线性好，复现性高，响应时间小，价格便宜，物理化学稳定等优点。 铂电阻的结构和性能 铂电阻常用的有两种：杆式和囊式。 杆式的上限温度很高可使其温度范围在 183176。 C — 630176。 C 和 O176。 C — 1100176。 C ，分别 称为中温铂电阻和高温铂电阻。 囊式铂电 阻的下限温度低，可使用于 263176。 C — +200176。 C ，所以有称为低温铂电阻。 而在工业上广泛应用的铜铂电阻的测温范围为 50176。 C — +100176。 C ( 线性较好的温度范用 )。 常见的铂热电阻是杆式铂电阻，它是由铂丝、绝缘架和保护套管组成。 铂热电阻通常用直径为 ～ 177。 毫米的铂丝单层绕制而成。 铂丝的直径大小将直接影响铂电阻的强度和它的热惰性的大小，同时，由于铂是贵金属，也影响其成本。 铂丝粗则强度好，热惰性大，成本就高。 铂电阻应采用无应力结构，也就是说，铂丝受热膨胀 或冷却时都不受支架的约束。 因为金属的电阻与温度计的结构有关。 金属中的应力状态会改变它的电阻～温度特性。 此外，铂电阻一般是采用无感绕制的，要尽可能地减 d、电阻中的电感值。 热电阻的电阻值不仅和制造热电阻的材料和导线的物理形状有关同时也和温度有关系．即它不仅和 p、 L、 S有关还和温度有关。 当不考虑温度的影响时，导体的电阻值 R可以用下面的关系式表示： LR S （ ） 式中  — 电阻率（ cm ） L— 导线长度（ cm） S— 导线截面积（ cm2） 当考虑温度的影响时，而导体材料的电阻率  随温度变化的关系为：  t= 0（ 1+ t） （ ） 式中  t— 导线材料在温度为 t176。 C 时的电阻率  0— 导线材料在温度为 0176。 C 时的电阻率  — 导体材料的电阻温度系数（  /176。 C ） 当温度改变时， L、 S可以近似看作不变，导体的电阻可表示为： Rt=R0（ 1+ t） （ ） 式中 Rt— 导体材料在温度为 t176。 C 时的电阻值 信息工程学 院课程设计（论文） 9 R0— 导线材料在温度为 0176。 C 时的电阻值  — 导体材料的电阻温度系数（  /176。 C ） 在温度范围 200176。 C — 0176。 C 之间，铂热电阻的电阻与温度之间的关系为 Rt=R[1+At+Bt2+Ct3(t100)] （ ） 在温度范围 0176。 C — 650176。 C 之间，铂热电阻 的电阻与温度之间的关系为 Rt=R0(1+At+Bt2) （ ） A、 B、 C为温度系数，他们的值为 A= 103[1/176。 C ] B= 103[1/（ 176。 C ） 2] C= 1012[1/（ 176。 C ） 4] 铂电阻温度的测量方法 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器 ,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等 ,被广泛用于中温 (200℃ — 650℃ )范围的温度测量中。 PT100是一种广泛 应用的测温元件，在 50℃ — 600℃℃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。 由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。 校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将 Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入 EEPROM中，根据电路中实测的 AD值以查表方式计算相应温度值。 电桥测量方法 常用的 Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 PT100的两侧相等的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。 常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。 其中图 ，图 桥式测温电路，图。 下面分别对桥式电路和恒流源式电路的原理在设计过程中应注意事项进行说明 （ 1）桥式测温电路桥式测温的典型应用电路如图所示（图 ，分别画出来是为了说明两线制接法和三线制接法的区别）。 测温原理：电路采用 TL431和电位器 VR1调节产生 ；采用 R R VRPt100构成测量电桥（其中 R1＝ R2， VR2为 100Ω精密电阻），当 Pt100的电阻值和 VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个 mV级的压差信号，这个压差信号经过运放 LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 AD转换芯片。 差动放大电路中 R3＝ R R5＝ R放大倍信息工程学 院课程设计（论文） 10 数＝ R5/R3，运放采用单一 5V供电。 设计及调试注意点： ① 同幅度调整 R1和 R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； ② 改变 R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求 ③ 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。 ④ VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如 Pt100的零点温度为 0℃，即 0℃时电阻为 100Ω，当电位器阻值调至 ，温度的零点就被设定在了 25℃。 测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。 ⑤ 理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为 *(RP。