1、 数据采集技术-基于 PT100 的温度显示仪表系统设计 姓 名： 王群杰 班 级： 数媒 1002 班 学 号： 0305100212 指导老师： 陈伟琦 日 期： 2013. 06 基于 Pt100 铂热电阻的简易温度测量器 要求:1.设计一个 pt-100 温度显示仪表,要求测量范围-20 度到 600 度;2.概述:功能性框图,实现的原理3.介绍系统的构成,画出原理图4.编辑完整软件的流程图5.总结,简述遇到的困难, 解决困难.一. 概述: 本电路通过电源模块给温度感应模块提供一个稳定的电源使其正常工作。通过隔离网保证电源模块和温度感应模块的工作不受后置模块的影响。再将温度感应模块产生
2、的信号通过信号放大模块放大,最后将放大的信号送到加减运算放大模块，得到一个设定好的电压值。原理: 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。二.系统的构成系统的构成1.电源模块: 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,电路图如图所示。当 TL431 两端接上电压后其参考极将输出稳定的 2.5V 的电压,
3、 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 500 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11.5mA 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。电源模块温度感应模块 隔离网络模块 信号放大模块 加减运算放大模块恒流源电路2.隔离网络模块: 为了使后面的模块不影响电源模块和温度感
4、应模块的正常工作需要将后面的模块和这两个模块隔离开来.隔离网络设计该方案能将电源模块和温度感应模块和后面的模块隔离开来,减小误差。信号放大模块和加减运算模块只需要两个集成运放，而 LM358P 一个芯片只集成了 2 个运放,如果隔离网络用掉 3 个运放就必须用掉 5 个运放.也就需要 3 个 LM358P 芯片,而这样还会剩余一个运放没有用上又造成了,浪费, 所以整个电路只需要 2 个 LM358P 芯片。考虑到把后端电路对前端电路照成的影响尽量减小,我们必须使经过 Pt100 的电流保持恒定 ,而且还要尽量和经过R2 的电流相等。3.信号放大模块 由于热敏电阻 Pt100 的电阻对温度的改变
5、量比较小只有几十欧姆的变化， Pt100 分度表如表一所示,所以其两端的电压差相对来说是一个很小的值，所以需要对该电压信号进行放大。 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54温度电阻值（）-20 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.5140 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.40100 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 1
6、10.51 110.90 111.29160 111.67 112.06 112.45 112.93 113.22 113.61 114.00 114.38 114.77 115.15220 115.54 115.93 116.31 116.70 117.08 117.47 117.86 118.24 118.63 119.01280 119.40 119.78 120.17 120.55 120.94 121.32 .121.71 122.09 122.47 122.86340 123.24 123.63 124.01 124.39 124.78 125.16 125.54 125.93 1
7、26.31 126.69400 127.08 127.46 127.84 128.22 128.61 128.99 129.37 129.75 130.13 130.52460 130.90 131.28 131.66 132.04 132.42 132.80 133.18 133.57 133.95 134.33520 134.71 135.09 135.47 135.85 136.23 136.61 136.99 137.37 137.75 138.13580 138.55 138.93 139.34 139.74 140.12 140.53 140.92 141.33 141.76温度表
8、该模块中使用的运放依旧是 LM358P 同相输入的通过一个电阻和和 Pt100 的一端相连，反相端通过一个电阻和一个电压跟随器和 Pt100 的另一端相连 通过设置 R4、R6、R7、R8的阻值以及调节电位器 R13 的阻值可以设定和改变其放大倍数。电位器 R13 的作用主要是电路的调零，使得电路最终输出电压尽量接近设定值。根据 Pt100 的温度特性以及恒流源提供的电流值和 TL431 参考端提供的恒定的电压值。在理想情况下可以将该放大模块的放大值设为 25 倍左右，使得当温度为-20 度时该信号放大模块输出端的电压正好为 2.5V 就能通过减法器和 TL431 参考端 2.5 相减得到初始
9、值 0V 的电压。这样当温度变化时电路的最终的输出端的电压就可以随温度的改变发生相应的线性变化。4.加减运算模块该模块依旧使用 LM358P 的集成运算放大器对放大后的信号进行处理，使得最终得到的电压值是一个设定好的值。如当温度为-20 度时最终的输出端电压为 0。当温度为 40 度时输出端电压为 1 依次类推。这样我们就能通过测量最终的输出电压来直观的得知周围环境的温度。如图 6 所示该模块的同相输出端通过电阻 R9 和信号放大模块的输出端相连，反相输出端和 TL431 的参考端相连，使得两电压值相减并放大一定倍数后输出设定的电压值。根据 Pt100 的温度特性可计算得该模块需要放大的倍数为
10、 10.4 倍，这样就能使输出电压约为检测到的温度的 0.1 倍。三. 软件的流程图1. 电压模块和温度感应模块参数设定与仿真调试用于分压的 R1 区标称值 510 K。R2 的阻值根据公式 I=V/R2 为产生 1mA 的电路需要设定 R2 的阻值为 2.5K, 但是没有 2.5 K 不是标称值,于是直接选用标称值 2.4 K 的电阻。对于 R5 的阻值 ,考虑到 Pt100 两端的电势不宜太高,Pt100 两端均与集成运放相连.如果接入集成运放的电压过高,接近电源电压 12V 或者输出电压接近 12V 会使集成运放无法正常工作,以及三级管 Q1 需要工作在放大区 R5 的值可相应取高点,大
11、概可取 2 K 到 8 K 之内的阻值,这里取 4 K 进行仿真。仿真时测得 TL431 参考极的电压为 2.494V 相当接近 2.5V,通过Pt100 的电流值为 1.028mA 和 1mA 的差值在误差允许范围内 ,可通过后面信号放大模块中电位器的调节来进一步消除误差。故通过仿真电压模块和温度感应模块的参数设定恰当,电路能按照预先设定的状态工作。2. 隔离网络模块参数设定和仿真调试该模块通过用 LM358P 的集成运放搭建的电压跟随器电路构成一个隔离网络，直接用最简单的方法搭建网络，一个电阻都不需要。通过仿真测得 U2A 的输出端口和同相输入端口的电压均为 6.734V。U2B 的输出端
12、口电压为 2.494，与之前在 TL431 参考极两端的电压值相等，故该模块设定正常，模块电路正常工作。3. 信号放大模块的参数设定以及仿真调试由于 Pt100 在 0 度的情况下阻值为-20,通过 1mA 的电流后电压为 0.1V 为了使其放大后的电压和标准的 2.5V 相减后输出 0V 的初始电压，故该模块的放大倍数设置为 2.5V/0.1V=25倍。但是由于电路中各个因素照成的误差的影响，需要在这个模块中添加一个电位器来调整放大倍数，实现调零作用，减少误差。 该模块中的阻值先安装理论上的 25 倍来设定 先令 R7=R8+R13 R4=R6 根据公式，该运放的放大倍数为 R7/R4， 故
13、取 R7= R8+R13=25K,R4=R6=1K ，R13 使用 5 K 精准电位器， R8 使用 22 K 的电阻。通过仿真测得 U3A 的输出电压会随着 R13 阻值的变化而变化 当 R13 的阻值正大时输出电压减小 ，R13 阻值减小时输出电压增大，输出电压可以调整到 2.5V 左右，故该模块工作正常，能实现设定的功能。 4. 加减运算模块的参数设定以及仿真调试 为了使相减后输出端的电压值是温度的 0.1 倍以便直观的得出温度值，故温度每变化 60 度输出电压变化 1V。根据 Pt100 的分度表得知温度每变化 60 度 Pt100 的电阻平均增加(132-100)/9=4.667 通
14、过 1mA 的电流时 Pt100 两端的电压增加 4.667mV再经过信号放大模块放大 25 倍后电压增量为 0.1867V，故可将该加减运算模块的放大倍数设定为 1V/0.1867V5.35 倍。对于阻值的设定，可令 R11=R12，R9=R10，根据公式电压放大倍数为 R12/R10，则取 R11=R12=10.4K， R9=R10=1K。经仿真调试，可将 Pt100 的阻值先设置为 100经过对 R13 阻值的调整可将该模块的输出电压调到尽量接近零，但是由于各种误差的原因，为了让其输出电压约为温度的 0.1 倍，还需要调整其他温度情况下的输出电压依旧是要通过 R13 的调节来实现。最终可
15、调整到一个能尽量让输出电压是温度的 0.1 倍的情况，表明该模块工作正常，能按照设定的情况输出电压，同时也正面整个电路设计成功。 四、 总原理图及运行测试1. 总原理图 2. 元件清单 元件序号做实际的电路板时为了调零的需要先将 Pt100 用的电阻来代替，模拟出一个外界温度为 -20的环境，以便于通过对电位器的调节使其输出电压为 0V。先检查电路各个模块是否能正常工作，如 T431 的参考极的电压是否为 2.5V 代替 Pt100 的 100 电阻两端的电压是否是0.1V，通过对信号放大模块中的电位器的调节是否能正常影响信号放大模块和运放加减模块的输出电压。将电路板调试正常后，调节电位器使电
16、路最终输出端的电压降到 0V。五总结通过这次的课程设计我掌握了一些简单的设计过程和调试方法。在设计一个电路时必须先查阅相关资料，然后先确定电路中各个模块要实现的功能以及基本指标，再对各个模块进行初步设计，确定对各个模块中的器件的型号和常数，最后将各个模块联系起来再进一步进行调整。将设计好的电路放到仿真软件上进行仿真，观察电路以及各个模块能否按设定的状态工作，能否实现设定的功能，最终结果是否正确。如果出现哪里没有按照预定的状态工作再进行进一步的改正，直到电路能正常的实现所有的功能。将实际电路做出来后要对其进行调试，调试时可先测试最终的输出能否达到预想的结果。电路不能正常工作是要对电路的各个模块进
17、行检查可以和软件仿真调试时一样检查各个模块是否正常工作，找到工作不正常的模块后对该模块的各个性能指标以及各点输入输出是否正确，然后分析可能产生错误的原因后再进行进一步的排查和调试。然后不断的重复以上对实际电路的调试过程 直到电路全部正常工作。在对各个模块进行检测时可先检测电源模块是否正常工作，因为很多错误都是电源部分出问题导致或可以影响并反映在电压部分上。例如前面的隔离网络模块，如果设计 3 个运放模块的电路，就能将电源模块和温度感应模块和后面的模块彻底的隔离开来，将误差降低到最小，但是实际电路中这样会导致一个芯片得不到完全的利用，会造成浪费。而现在我们减少一个运放模块，虽然没有之前电路误差那么小，但也在误差范围之内可以接受，考虑到成本因素，所以我们选择了 2 运放模块的电路。
