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類型分類：: 科普知識

數據分類：: RTD溫度傳感器

基于Pt100運用查表法實現的高溫溫度計設計

發布日期：2022-04-27 點擊率：125

在現實生活中，測溫裝置形式多樣，但大多數存在測溫范圍小的缺點，使其應用范圍受到限制。例如：汽車發動機、空調壓縮機、輪船等溫度往往較高，使用一般的溫度計難以測量，使用大型的測溫設備不但測量成本高，而且也不易攜帶。文中設計了一種便于攜帶，且實用又能適應高溫環境的高溫溫度計。

高溫溫度計的原理框圖如圖1所示。

系統是基于Pt100的高溫溫度計，Pt100模擬溫度傳感器對環境溫度進行采集，然后把采集的數據經A／D轉換后傳給單片機，單片機接收數據并處理后，在液晶屏上顯示測量的溫度值。

1系統主要硬件設計

1．1電源電路

系統用3節5號干電池串聯，電壓接近4．5V，剛好滿足設計的電源電壓要求。電源處理芯片的選擇方面考慮的重點是效率高、工作電壓低、體積小，經過仔細對比后，選擇了以下電源處理芯片。

TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf2．5～36V范圍內的任何值。在本文中用作橋式測溫電路的參考電壓，還具有多種應用，例如：分流校準器、串聯校準器、開關校準器、電壓參考等。

在T1431與電源引腳間加上一個100Ω電阻用于限流，地引腳端直接接地，電壓輸出2．5V接到橋式測溫電路作為基準電壓，注意基準電壓必須穩定，不然會影響測溫準確性。

LM1117是具有穩定的電壓輸出的校準器，可以輸出穩定的1．2V，1．5V，1．8V，2．5V，2．85V，3．3V，5V等電壓。設計中用LM1117穩壓至3．3V為A／D模數轉換器、放大器提供穩定的電壓保證。在電源和地引腳之間加上電容C4和C5用于去耦濾波。

Intersil公司生產的ICL7660是提供雙電壓的COMS集成芯片，它在提供正負電壓方面有獨特的優勢。ICL7660可以提供+1．5～+10V和-1．5～-10V的正負電壓。ICL7660正輸出電壓Vout+和負輸出電壓分別接入INA126電源的正負極。電源模塊的電路原理如圖2所示。

圖2中VCC5是電源電壓，經過LM1117芯片輸出為3．3V，為INA126(儀表放大器)、ADS7816和ICL7660供電。經過TL431輸出2．490V的電壓，為橋式放大電路和ADS7816提供穩定的基準電壓。ICL7660把+3．3V轉換為-3．3V，為儀表放大器提供負電壓。因為單片機和液晶顯示器的工作電壓范圍廣，所以VCC直接和總電源相連。

1．2A／D模數轉換模塊

因為Pt100是模擬溫度傳感器，且溫度測量范圍廣，所以設計采用ADS7816，A／D電路圖如圖3所示。管腳VREF接橋式測溫電路的基準電壓，管腳+IN信號數據輸入口接INA126運放的輸出端，-IN、GND管腳分別接地。管腳CS片選端接單片機的P1.6口，低電平有效，當P1.6口置低電平時A／D選通，開始工作。管腳Dout信號數據輸出口接單片機的P1.5口，用于讀取A／D轉換后的數據。管腳LOCK時鐘信號口接單片機的P1.4口，單片機P1.4口提供A／D連續時鐘脈沖，保證A／D數據轉換和讀取的正常。管腳VCC接經LM1117穩定后的輸出電壓3．3V。設計采用STC公司的89C52單片機作為核心，在系統中用89C52單片機來讀取A／D轉換數據并處理，然后控制液晶顯示，是設計中所有器件的核心模塊。

單片機與A／D連接電路圖如圖3所示。

1．3顯示模塊

基于液晶1602顯示內容豐富，功耗低等優點，選用液晶1602作為顯示模塊。液晶的第1管腳是接地管腳，管腳VCC接電源，液晶的管腳VL外接電源串聯一個10kΩ的電位器后接地，用來調節液晶的亮度對比度，使其顯示清楚、準確。管腳RS接單片機的P1.0口。管腳RW接單片機P1.1。管腳EN接單片機P1.2口，是液晶的使能管腳。液晶的數據口(7～14管腳)接單片機的P0.0～P0.7口，液晶的數據口采用8位并口方式進行數據傳送。第15，16管腳是液晶背光燈的正負極，分別接VCC和GND即可。液晶連接電路圖如圖4所示。

電橋的輸入電壓通過TL431穩壓至2．5V，經過測量得到電橋實際輸入電壓為2．49V。電橋的4個橋臂中的一個橋臂采用電位器，因為通過調解電位器可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，設計中用此電位器來調整零點。

Pt100數據手冊推薦使用LM358芯片放大差分信號，由于LM1117提供給運放的電壓只有3．3V，供電電壓過低會導致運放工作不正常，電壓放大倍數和理論計算的放大倍數誤差很大，這樣直接導致放大倍數不穩定，影響測溫精確度。經過比較選擇發現INA126精密儀器儀放大器，具有高精度，低噪聲差分信號采集的優點，它的兩個運放設計提供卓越性能具有非常低的靜態電流(175mA／chan)，結合寬工作電壓范圍±1．35～±18V的，使其成為高性能的運算放大器。所以改用INA126作為運算放大器，經過測試發現放大倍數穩定。系統中放大倍數約等于6．27倍。由于INA126需要雙電源供電，所以使用ICL7660進行電壓轉換，這樣可以輕松得到負電壓對INA126進行雙電源供電。通過INA126對電橋信號進行差分放大。橋式差分放大電路圖如圖6所示。

對電位器R6進行零點調整可以得到U_=50．012 mV。INA126對U+和U_進行差分放大，放大后電壓U0=F×(U+-U_)，F是電壓放大倍數，經過測量得到F=6．27。所以

這樣得到Pt100的電阻值與經過INA126放大后的電壓關系，把U0送入A／D，通過A／D轉換，單片機算出Pt100的電阻值，然后查表，查到的電阻值與表中的相近時，得出此時的溫度值，然后送出數據在液晶屏上顯示。

2軟件設計

系統的軟件包括溫度采集部分、A／D轉換模塊，接收結果處理顯示部分。整個程序采用C語言編寫，采用模塊化程序設計。

設計采用Pt100模擬溫度傳感器采集數據，單片機通電后，Pt100由于溫度變化，引起電阻發生變化，進而橋式測溫電路的電壓值發生變化，經過差分放大、A／D轉換后送入單片機。單片機始終等待A／D轉換值的到來，因為本設計只需要測量溫度，所以沒有采樣周期，讀取A／D值的程序放入無限循環中。在設計中，由于Pt100的電阻值和溫度不成線性關系，所以設計用Matlab擬合函數創建一個電阻值一溫度對應表格，查表得到溫度值。程序開始后，先對液晶屏、A／D進行初始化處理，然后確定液晶屏在空閑狀態，調用液晶寫地址指令函數，使液晶屏分兩行顯示，接著調用液晶寫數據函數在第1行寫入溫度計的英文Thermometer，第2行寫入查表得到的溫度值。

A／D模塊，首先對A／D初始化，然后把A／D的CS管腳、時鐘脈沖CLK拉至高電平，接著把CS拉至低電平開始采樣。在寫程序的時候要注意先發送給A／D兩個下降沿脈沖，然后才開始采樣數據。實驗證明，如果直接進行采樣，會導致采樣數據誤差很大。采樣完成后給CS管腳拉至高電平，停止采樣，返回數值。接著進行下一組數據的采樣。主程序流程圖如圖7所示。