1、电子检测装置设计实践题目：PT100 温度变送器的设计姓名：学号：成绩：_西安理工大学信息与控制工程系2016 年 1 月 22 日总成绩验收成绩验收（抽样）结果结果均方根误差/排名精度/排名最终排名报告成绩报告评价学生成绩包括两个部分：检测装置验收和报告。检测装置验收得分：根据验收测试的 4组数据计算得到均方根误差和精度，将其各自排名，排名的结果相加，再排名，根据排名得到每个人的验收得分。报告得分：根据电路设计、计算，电路图绘制，结果分析，综合得分。最终得分：验收和报告各占 50%。电子检测装置设计实践项目设计说明书项 目：PT100 温度变送器的设计姓 名：学 号：西安理工大学信息与控制工
2、程系2016 年 1 月 22 日大 纲1 概述随着现代化工业生产的不断发展，在普通家庭里电热水器、电饭煲、电磁炉等家用电器越来越成为必不可少的生活用品，然而这些电器都依赖于温度控制技术，所以说温度控制技术无处不在。基于此，如何获得温度信息值并进行准确而又快速的控制这是非常重要而有意义的研究课题。因铂热电阻具有测量范围大、稳定性好和耐氧化等优点，本课题采用PT100 铂热电阻作为温度感测元件，进行温度传感器的设计与实现。PT100 在的额定电阻值是 ，工作温度范围： ，考虑到实际应用，C010C8502-本课题设计的测量范围为 。因为热敏电阻的的温度与阻值呈线性关系，C根据测量可得温度与电压的
3、关系，阻值与电压的关系。2 总体设计温度的控制1、温度控制范围：10-90内可任意设定温度值。2、控制精度：52.1 系统构成2.2 主要设备及元器件选型根据设计要求，采用 LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放 大 器 ， 除 电 源 共 用 外 ， 四 组 运24V 输入24V 输入电源电路 PT100桥式电路放大电路输出 U0放 相 互 独 立 。 由 于 LM324 四 运 放 电 路 具 有 电 源 电 压 范 围 宽 ， 静 态 功 耗 小 ，可 单 电 源 使 用 ， 价 格 低 廉 等 优
4、点 ， 因 此 被 广 泛 应 用 在 各 种 电 路 中 。lm7812 是 指 三 端 稳 压 集 成 电路 IC 芯 片 元 器 件 ， 适 用 于 各 种 电源 稳 压 电 路 ， 输 出 稳 定 性 好 、 使用 方 便 、 输 出 过 流 、 过 热 自 动 保护 。 lm7805 系 列 集 成 稳 压 器 的 典型 应 用 电 路 如 下 图 所 示 ， 这 是 一个 输 出 正 5V 直 流 电 压 的 稳 压 电 源 电 路 。 IC 采 用 集 成 稳 压 器7805， C9、 C10 分 别 为 输 入 端 和 输 出 端 滤 波 电 容 。ICL7660 是 一 款
5、基 于 电 荷 泵 原 理 的电 压 反 相 器 ， 在 典 型 电 路 中 ， 其 输 出 电压 和 输 入 电 压 的 极 性 相 反 幅 值 相 等 ， 但输 出 驱 动 能 力 不 算 很 高 。 常 用 于 需 要 从正 电 压 变 换 出 对 称 负 电 压 的 场 合 ， 增 加一 个 ICL7660 和 几 个 小 电 容 ， 就 可 以 实现 正 负 电 源 。2.3 系统核心处理策略输 入 信 号 经 热 电 阻 ， 过 零 点 补 偿 和 一 级 运 放 ， 最 后 滤 波 得 到 理 想 的 模 拟量 输 出 。2.4 系统软硬件功能划分PT100 所 搭 的 电 阻
6、桥 作 为 温 度 采 集 部 分 ， 对 温 度 进 行 实 时 采 集 ， 电 源 由实 验 室 提 供 。3 详细设计3.1 硬件设计3.1.1 输入与输出输 入 ：由 电 源 直 接 输 入 ， 经 电 源 电 路 处 理 ， 将 5V 电 压 输 入 。输 出 ： 经 电 路 处 理 好 的 信 号 直 接 输 出 。3.1.2 热电阻检测模块由 于 热 电 阻 输 出 的 信 号 很 微 弱 ， 故 我 们 通 过 电 桥 将 阻 值 变 化 值 先 经 过 电桥 放 大 ， 得 到 范 围 跨 度 为 0-5V， 分 辨 率 为 0.02V 的 模 拟 电 压 信 号 ， 得 到
7、 需要 的 测 温 范 围 对 应 的 温 度 值 。热电阻 PT100 的分度表0 1 2 3 4 5 6 7 8 9温度 电阻值（）010203040100.00103.90107.79111.67115.54100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.57112.45116.31101.17105.07108.96112.83116.70101.56105.46109.35113.22117.08101.95105.85109.73113.61117.47102.34106.24110.12114.00117.86102.73106.631
8、10.51114.38118.24103.12107.02110.90114.77118.63103.51107.40111.29115.15119.015060708090 119.40123.24127.08130.90134.71119.78123.63127.46131.28135.09120.17124.01127.84131.66135.47120.55124.39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23121.32125.16128.99132.80136.61121.71125.54129.37133.18136.9912
9、2.09125.93129.75133.57137.37122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.69130.52134.33138.13100110120130140138.51142.29146.07149.83153.58138.88142.67146.44150.21153.96139.26143.05146.82150.58154.33139.64143.43147.20150.96154.71140.02143.80147.57151.33155.08140.40144.18147.95151.71155.46140.78144.56148.3
10、3152.08155.83141.16144.94148.70152.46156.20141.54145.31149.08152.83156.58141.91145.69149.46153.21156.95金 属 热 电 阻 一 般 适 用 于 -200500 范 围 内 的 温 度 测 量 ， 其 特 点 是 测 量准 确 、 稳 定 性 好 、 性 能 可 靠 ， 在 程 控 制 中 的 应 用 极 其 广 泛 。 工 业 上 常 用 金属 热 电 阻 从 电 阻 随 温 度 的 变 化 来 看 ， 大 部 分 金 属 导 体 都 有 这 个 性 质 ， 但 并 不是 都 能 用 作 测
11、温 热 电 阻 ， 作 为 热 电 阻 的 金 属 材 料 一 般 要 求 ： 尽 可 能 大 而 且 稳定 的 温 度 系 数 、 电 阻 率 要 大 （ 在 同 样 灵 敏 度 下 减 小 传 感 器 的 尺 寸 ） 、 在 使用 的 温 度 范 围 内 具 有 稳 定 的 化 学 物 理 性 能 、 材 料 的 复 制 性 好 、 电 阻 值 随 温 度变 化 要 有 间 值 函 数 关 系 （ 最 好 呈 线 性 关 系 ） 。pt100 是 铂 热 电 阻 ， 它 的 阻 值 跟 温 度 的 变 化 成 正 比 。 PT100 的 阻 值 与 温度 变 化 关 系 为 ： 当 PT1
12、00 温 度 为 0 时 它 的 阻 值 为 100 欧 姆 ， 在 100 时 它的 阻 值 约 为 138.5 欧 姆 。设 计 电 路 图 如 下 ：3.1.3 电源模块本 系 统 采 用 实 验 室 提 供 的 24V 直 流 稳 压 电 源 ， 经 电 源 电 路 输 出 为 5V 电压 。3.1.4 电压跟随器模块电 压 跟 随 器 的 显 著 特 点 就 是 ，输 入 阻 抗 高 ， 而 输 出 阻 抗 低 。电 压 跟 随 器 采 用 +5V 和 -5V 双 电源 供 电 形 式 ， 为 了 避 免 系 统 输 出 Vo为负 电 压 的 情 况 。 滑 动 变 阻 器RF1、
13、RF2 调 节 范 围 大 ， 使 测 量 更 加准 确 。3.1.5 计算过程1.设 R1=R2=1K， R4=100 （ PT100 在 0 度 时 ， 阻 值 为 100 ） ， 电 桥 R5=R6=10K(电 桥 上 的 电 阻 大 于 R1 和 R2)2.输 入 输 出 关 系 式解得;)109(67i 2f1OOVRRVRV，）（最 小 范 围 ： 3mV35mV 32mV； 最 大 范 围 ： 7mV25mV 18mV最 小 放 大 倍 数 ： 5V/32mV=156， 最 大 放 大 倍 数 5V/18mV=2783.确 定 Vz 的 范 围 及 R11、 R12、 RF2时
14、， 假 设 R6=R7， 则设 Vref=1.2V Vz 为 0.3V 到 0.7V， 取 Vz 的 变 化 为 0.5V放 大 倍 数 ： k 最 小 ， 可 调从 而设 R9=10K， R10=5.6Kk20fR选验 证 假 设 是 否 满 足 要 求 ：则 放 大 倍 数 满 足 要 求 。4. 确 定 Vo1、R6、R7 的范围设 R6=R7=10k,（ 运 放 的 电 阻 应 远 大 于 其 内 阻 ， 而 内 阻 一 般 为 100 ）)6( 2fi ZOZ76i 91k2fR56.1k2minRf.k2.1*.78.33max f2fa f Rk所 以 应 取 最 大 值 ，最
15、大 ， 使 kRRV 6.57.4,78.156210.56.10 1092109 从 而 令，O iZ2fR3.1.5 系统图及元器件清单元件 数量ICL7660 1LM324 2LM7812 1LM7805 1PT100 1电解电容 10uf，100uf 4电容 104,106 若干电阻 若干双输出可调直流稳压电源 24V电位器 24 调试与测试4.1 调试将 PT100 放入冰水混合物，此时温度为零摄氏度，PT100 阻值此时为 100接入电路，分别测 Vo1 和 Vo,调滑动变阻器 RV1 和 RV2，使其电压均接近于 0V,并且 Uo1 Uo2。对电路信号放大部分先进行调零：测 Vo
16、 的值并调节 RV2，是输出为 0.3V,再对电路信号放大部分进行调满：先将 PT100 放入开水，此时的阻值 138 接入电路, 再测 Vo 的值并调节 104，使输出接近为 5V。如此反复对该VVO7.3902.,3.29.0145,4501i 4Zi 电路进行调零和调满的操作，使其输出稳定在 0.2V-4.0V 之间即可。4.2 测试测实验数据：调节 PT100 的阻值，使其以每隔 10 的 阻 值 接 入 电 路 ， 再 测输 出 Vo 的 值 ， 电 流 源 电 路 接 好 后 ， 开 始 测 电 流 的 输 出 。 测 量 时 应 按 PT100的 阻 值 增 大 时 测 一 次
17、， 再 依 次 减 小 其 阻 值 测 一 次 。测 试 结 果 ：1： 滑 动 变 阻 器 RF1 调 零 ， 调 节 最 佳 增 益 ， 结 果 如 下 所 示 ：由 图 可 以 看 出 ， PT100 温 度 与 电 压 近 似 呈 线 性 关 系 。5 结论经过将近两这几天的测控电路课程设计，我终于完成了 PT100 温度变送器的设计，虽然与老师的要求有一定的差距，但我还是很高兴的。在这次课程设计中，我自己动手焊接了实验电路，自己检查电路中的错误，自己改正这些错误，自己查资料，这些都是我独立完成的，虽然在这一过程中我们遇到了许多困难，但还是咬牙挺过来了，因此我们也学到了许多东西。由温
18、度 C10 20 30 40 50 60 70 80 90阻 值 103.9 107.7 111.6 115.5 119.4 123.2 127.0 130.9 134.7电 压 V0.702 1.211 1.834 2.358 2.837 3.295 3.701 4.133 4.487于我之前有过焊接电路板的经验，在焊接过程中并未遇到什么困难，我自己也认为我焊接的电路板还是不错的，但我还是在电路调试中遇到了很大的难题，虽然老师在布置这个课程设计之前给我们讲了一些在调试中要注意的问题，但在实际操作中我们几乎完全忘了这些需要注意的问题，例如对电路的调零和调满的操作，我们都没有将这两步分开来进行，而是直接测电路的输出；再如，调零和调满的操作要进行多次，通过反复调试来保证电路测量范围的准确性，可我们几乎都是只调试了一次就开始测数据，导致数据的不准确。这次课程设计使我了解到了基础电路知识的重要性，只有当我们对基础电路有了一定的了解之后，才能对较为复杂的电路进行分析，从而设计出合理的、合乎要求的电路。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，一定要将理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，只有这样才能将我们的所学真正的应用出来，对于问题的分析能力和解决能力有了很大的提高，为以后的科研积累了相当宝贵的经验。这就是我在这次课程设计中的最大收获。
