1.設(shè)計任務(wù)分析

1.1設(shè)計目的

設(shè)計Pt100鉑電阻測量溫度的電路,，溫度測量范圍是0-100攝氏度,，要求LCD顯示。畫出電路圖,，標(biāo)注元器件參數(shù),，簡單說明測量原理和調(diào)節(jié)方式。

1.2設(shè)計背景

溫度是表征物體冷熱程度的物理量,，在工業(yè)生產(chǎn),、生活應(yīng)用和科學(xué)研究中是一個非常重要的參數(shù)。在工業(yè)控制過程中需要對控制對象進(jìn)行溫度監(jiān)測,，防止控制對象由于溫度過高而損壞,，因此溫度的實時監(jiān)測就顯得更加重要。對溫度的實時監(jiān)測有利于對控制對象的及時檢查,、保護(hù),，并及時調(diào)整溫度的高低。
根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求的不同,，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計也有所變化,，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的,。因鉑熱電阻具有測量范圍大,，穩(wěn)定性好，示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點,，測溫系統(tǒng)系統(tǒng)常采用Pt100鉑熱電阻作為溫度感測元件,，進(jìn)行溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)。在設(shè)計中,，將電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號,，既省去昂貴的補償導(dǎo)線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力,。
溫度計是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中最常用的測量儀表,。隨著時代的進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)字溫度計得到了迅速的發(fā)展,。數(shù)字溫度計的優(yōu)點是準(zhǔn)確度高,，不易誤讀，分辨率高,，特別是在測量小的溫度變化時比較準(zhǔn)確,。人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作,、科研,、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)字化技術(shù)入手,，一切向著數(shù)字化控制,，智能化控制方向發(fā)展。

2.設(shè)計方案論證

2.1方案設(shè)計

根據(jù)要求,，本設(shè)計的測溫模擬電路使用熱電阻Pt100溫度傳感器利用其感溫效應(yīng),熱電阻隨環(huán)境溫度的變化而變化,，在電路圖中將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再將電壓值作為輸入信號輸入至AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,，其輸出端接單片機,，向單片機內(nèi)依據(jù)公式寫入源程序，將被測溫度在顯示器上顯示出來:
測量溫度范圍0℃~100℃,；
分辨率為0.1℃,；
LCD數(shù)碼直讀顯示。
本設(shè)計系統(tǒng)包括了溫度測量單元,，信號處理單元,，A/D 轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊,，溫度顯示五個部分,。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示:

2.2工作原理

本題目使用鉑熱電阻PT100,其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆,，在100℃時它的阻值約為138. 5歐姆,。廠家提供有PT100在各溫度下電阻值值的分度表，在此可以近似取電阻變化率為0.3859/℃,。向PT100輸入穩(wěn)恒電流,，再通過A/D轉(zhuǎn)換后測PT100兩端電壓,，即得到PT100的電阻值，進(jìn)而算出當(dāng)前的溫度值,。

總體系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1溫度測量電路

pt100是鉑熱電阻,，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，當(dāng)PT100在0℃的時候它的阻值為100Ω,，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長,，
鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計算公式：
（1） -200<t<0℃ Rt=R0[1+At+Btt+C(t-100)tt*t]
（2） 0≤t<850℃ Rt=R0（1+At+Bt2）
Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的阻值,。公式中的A,B,系數(shù)為實驗測定,。這里給出標(biāo)準(zhǔn)的DINIEC751系數(shù)：A=0. 00390802; B=-0. 000000580; C=0. 0000000000042735。
可見Pt100在常溫0~ 100C之間變化時線性度非常好,，其阻值表達(dá)式可近似簡化為: RPt=100
(1+At),，當(dāng)溫度變化1 ℃，Pt100阻值近似變化0.39歐,。

上圖左邊電路包括TL431部分作為右邊差分放大電路的精密穩(wěn)壓源,，差分放大電路中T為溫度采樣端，T0是下限溫度,。
在此系統(tǒng)中,，差分放大電路具有電路對稱的特點，可以起到穩(wěn)定工作點的作用,，并且可以放大差模信號,，抑制共模信號，這樣可以抑制環(huán)境因素對電阻產(chǎn)生的影響,，使整個系統(tǒng)更可靠,。次差分放大電路兩路電路流過電流相等，T0輸出為基準(zhǔn)電壓,，Pt100電阻阻值隨溫度改變而改變,，T端為實時溫度測量電壓輸出端，這樣產(chǎn)生了電壓差△U=（RT-80.3）mV (電路電流設(shè)定為恒定值1mA),，T,，T0接信號放大器兩端，經(jīng)過放大,，模數(shù)轉(zhuǎn)換,，單片機對信號處理后，便可以顯示被測溫度,。

3.1.2信號放大電路

要求:量程100度,、最小分辨率0.1度，則A=100/0.1=1000,，因此至少需要10位ADC,。
選用ADC工作電壓為3.3V,，則
則AD轉(zhuǎn)換器能夠識別的最小輸入電壓Vin min為
在0~ 100°C范圍內(nèi)，當(dāng)溫度變化1 ℃,，Pt100阻值近似變化0.39Ω,，則△V≈0.39mV;
由以上分析可以看出，如果信號不放大,，A/D轉(zhuǎn)換器將不能識別△V0.1。因此必須對測溫電橋的輸出電壓放大,，其最小放大倍數(shù)
A/D滿負(fù)載時(輸出FFFFH ),，Vin max= VREF;當(dāng)溫度為100°C時，PT100的阻值RT≈138.5Ω,，則有△V100=（138.5-80.3）mV=0.0582V,。
則AD轉(zhuǎn)換器能夠識別的最小輸入電壓Vin min為
因此，調(diào)理電路總的電壓放大倍數(shù)Au應(yīng)滿足8.3<Au<56.7,，實際應(yīng)用中,。考慮到放大電路的穩(wěn)定性,，綜合各方面的因素,，取信號放大電路總的電壓放大倍數(shù)Au=31。
根據(jù)放大倍數(shù)公式,，

3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

MCP355X器件是2.7V至5.5V低功耗,，22位Δ-ΣA/ D轉(zhuǎn)換器。器件提供輸出噪聲低至2.5μVrms,，總不可調(diào)整誤差小于10 ppm,。該系列表現(xiàn)出小于6 ppm的積分非線性（INL）誤差，3μV失調(diào)誤差和2 ppm滿量程誤差.MCP355X器件提供高電平對于執(zhí)行壓力,，溫度和濕度等傳感器測量的應(yīng)用,，其精度和低噪聲性能。內(nèi)置振蕩器和高過采樣率,，高精度應(yīng)用所需的外部元件極少,。全差分模擬輸入使其兼容MCP355X器件工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C，采用節(jié)省空間的8引腳MSOP和SOIC封裝,。

3.1.4數(shù)據(jù)處理電路

通過ATmega8單片機對MCP3551處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算以用作輸出,。具體電路圖如圖3-5數(shù)據(jù)處理電路:

3.1.5顯示電路

LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780 具有簡單而功能較強的指令集,，可以實現(xiàn)字符移動,，閃爍等功能，LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方
式,，hd44780控制器由兩個8位寄存器,，指令寄存器(IR)和數(shù)據(jù)寄存器(DR)忙標(biāo)志(BF),顯示數(shù)RAM (DDRAM),，字符發(fā)生器ROMA (CGOROM)字符發(fā)生器RAM (CGRAM),地址計數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼,，只能寫入不能讀出,，DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入DDRAM和CGRAM,，或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù),，BF為1時，液晶模塊處于內(nèi)部模式,，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù),，DDTAM用來存儲顯示的字符，能存儲80個字符碼,，CGROM 由8位字符碼生成57點陣字符160種和510點陣字符32種,。

3.2軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.電路仿真與調(diào)試

4.1整體電路

5.誤差與精度分析

由于PT100的阻值與溫度并非純線性關(guān)系，所以,，本系統(tǒng)必然存在一定的誤差,。下面對本系統(tǒng)的誤差進(jìn)行分析。
有上面的仿真結(jié)果也可以看出,，理論值和實際測得值存在一定誤差,，0℃時，電阻和測得溫度與實際溫度相吻合,，但100℃時,，電阻和測得溫度與實際溫度和理論電阻值存在一定誤差，下表為根據(jù)仿真所得到的的0~100℃實際電阻與溫度之間的對照表：
表一 實際電阻—溫度對照表
RT（Ω） 100 103.95 107.87 111.78 115.68. 119.57
T（℃） 0 10 20 30 40 50

從上表可以看出,，實際測量的值與理論值之間存在看一定的差距,。造成這種差距的主要原因是計算理論阻值-溫度關(guān)系時對值進(jìn)行了近似處理，而之后的計算中同樣存在大量近似處理,。由此實際測量值和理論值之間存在著差距,。另外，電路的連接中,，各個電阻的阻值不全是完全符合設(shè)計要求,，這種情況也會造成結(jié)果誤差。
由表及在實際仿真過程中,，本系統(tǒng)的最大誤差為0.8℃（100℃時,，有最大誤差，在整個量程內(nèi)此時累計誤差達(dá)到最大）,，由于本系統(tǒng)的測量范圍為0-100℃,，所以，本系統(tǒng)的線性誤差為0.008,。.

參考文獻(xiàn)

李醒飛.《測控電路》（第五版）[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2016.
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