1. 研究背景、意義

在工業生產過程中，溫度一直都是一個很重要的物理多數，溫度的檢則和控制直接和安全生產，產品質最，生產效率，節約能源等戚大技術經濟指標相聯系，因此在國民經濟的各個領城中都受到了人們的普遍重視。隨著傳感器技術和電子測最技術的迅猛發展，以單片機為主的嵌入式系統已r廣泛應用于工業現場，新型的電子測溫儀器不僅操作簡單，而日精度比傳統儀器有很大提高。日前在工業生產現場使用最廣泛的溫度傳感器主要有熱電偶和熱電阻，例如鉑熱電阻PT100就是使用最廣泛的傳感器之一， 本文介紹的就是PT100的溫度研究。PT100在-50~ 600'C范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等中，正是基于此，PT100在各個行業中受到廣泛應用。本文設計了一款基于PT100的多路溫度巡檢儀，可同時測里多路PT 100信號，并通過數碼管循環顯示各路溫度值，且具有按鍵電路，可進行報警溫度的調節。

2. 項目簡介

本文介紹了鉑熱電阻PT100的特性和PT 100溫度和阻值對應關系，通過恒流源將采集到的信號轉換成電壓信號;再經過A / D轉換成數字信號并由單片機系統讀取;單片機系統把讀取到的數字信號進行識別處理，并換算成與溫度對應的數字信號，最后再由LED輸出溫度值。

• 溫度傳感器的設計
  

PT100鉑電阻在高溫下物理化學性質穩定，精度高穩定性好性能可靠，工作范圍是-200℃~650℃，電阻溫度關系的線性度非常好。

在0℃~650℃，Rt=Ra(1+At+Bt^2)

在-200℃~0℃，Rt=Ra（1+At+Bt^2+C(t-100)t^3）

式中，ABC為常數，A=3.96847*10^3  B=-5.847*10^7  C=-4.22*10^12

Pt100鉑電阻的接線方式主要有兩線式和三線式和四線式。四線精度最高，三線也可以，兩線最低。Pt100溫度傳感器0℃時電阻值是100歐姆，電阻變化率是0.3851歐姆每攝氏度。由于其電阻小，靈敏度高，所以引線的電阻不能忽略，采用三線法可以消除引線線路電阻帶來的測量誤差。原理如下：

PT100引出的三根導線截面積和長度均相同(即r1=r2=r3),測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻(Rpt100)作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根(r1)接到電橋的電源端，其余兩根(r2、r3)分 別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻，電橋處于平衡狀態，引線線電阻的變化對測量結果沒有任何影響。

當r4*( rx+r2+r3 ) =r5* ( Rpt100+r2+r1)電橋平衡, V1=0
當Rpt100受溫変化后,電橋不平衡,V1≠0

（2）運放的設計

本電路是基于熱敏電阻Pt100的溫度檢測電路，Pt100的電阻值會隨著溫度的變化而變化，故電源模塊可設計一個橫流源電路使得通過Pt100的電流恒定不變，這時當溫度變化時Pt100的阻值發生變化，電壓也就能發生相應的線性變化。只要通過對Pt100兩端的電壓進行處理就能測得外界環境的溫度。

本電路中恒流源電路是基于TL431穩壓集成電路設計的高精度恒流源。當TL431 兩端接上電壓后其參考極將輸出穩定的2.5V的電壓，但是TL431的陰極和陽極不能直接接在電壓上所以需要串上一個電阻進行分壓，本電路中使其串上1500歐姆的電阻。當TL431的參考極和地端之間接上一個電阻時該之路的電流就是-一個恒定的電流，這時再如圖中所示接上一一個處于放大區的三級管使其發射極和集極的電流近乎相等，這時通過連接在集極的Pt100熱敏電阻的電流就是恒定值。由于通過Pt100的電流需要在1^ 1. 5mA內，以及為了計算的方便，在本電路中理想情況下我們要使通過Pt100的電流約為 1mA。

• 放大器AD620
  

AD620是低價格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設置1~ 1000倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時間和較高的精度，特別適合于精確的數據采集系統。AD620的內部結構是由0P-07組成的三運放結構，性能大大優于自制的三運放IC電路設計，其基本接法是在1腳與8腳之間外接一RG電阻，增益由式G=1+49. 4千歐姆 /RG確定。我們的溫度測量范圍是-200℃~650℃，而此時的溫度傳感器的電阻值根據分度表為18.52歐姆~329.64歐姆。

• AD轉換芯片
  

TLC2543是12位串行接口的AD轉換器，它使用開關電容主次逼近技術完成AD轉換，具有11路模擬輸入，輸入電壓范圍是0~Vref,Vref是最大可達芯片的電壓5V，它的分辨率高為12位。需要注意的是，單片機每次讀出的轉換數據是上次模擬通道的轉換數據而非本次操作輸出的轉換數據。

2.顯示

儀器的顯示分辨率為01C在現場已足夠使用.所以用5位LED數碼管來循環顯示路數和該路的正負溫度值。為節約硬件電路資源，選用5片74HC164串入并出芯片作為數碼管的動態顯示驅動電路，顯示數據可由CPU的空閑串口RXD和TXD送出顯示，這種電路與CPU接口簡單.占用CPU軟硬件資源少.且價格低廉.在顯示位數不多的儀表中使用有非常高的性價比

3.按鍵

按鍵電路來完成各路溫度報警值的設置，至少需要3個鍵盤來實現此功能。其中一個作功能鍵兼作路數選擇鍵一個作加一鍵，一個作加十鍵，可方便地在任何時刻對儀表的溫度報警值進行設置。

用變阻箱代替PT100模擬溫度變化時阻值的變化。程序運行時，在一一定范圍內扭動變阻箱，液晶顯示屏上將顯示此阻值對應的溫度值。可知對應值是否正確。本設計中，是以溫度采集及檢測為總目標，以單片機最小應用系統為總控制中心，輔助設計有溫度采集電路、  A/D轉換單元、LCD液晶顯示等等。

在科學和工程問題上可以通過租入采樣、實驗等方法或得若干離散的數據，根據這些數據，我們往往希望得到一個連續的函數(也就是曲線)或者更加密集的離散方程與已知數據相吻合。這個過程叫擬合。插值是曲線必須通過已知點的擬合，是離散函數逼近的重要方法,利用它可通過函數在有限個點處的取值狀況，估算出函數在其它點的近似值。由于PT100與溫度近似呈線性關系，故采用線性插值法。在本次程序設計中運用了兩次線性插值計算出最終的溫度值，第一次根據AD值算出PT100的阻值，之前先用標準電阻來標定AD值，即自50Q到220Q每間隔5Q測一個AD值，制成表格，再由插值法計算出PT100的實際值。第二次根據阻值算出對應的溫度值,在阻值與溫度的表格中用插值法計算出當時的溫度值。

通過本次競賽創新型實驗的課程設計讓我們三個人收獲良多。從一開始對單片機的了解到后來的漸漸熟悉，深切的體會了單片機的魅力。我們三個人不僅學到了利用51單片機設計溫度傳感器的相關知識，跟在課程設計當中鍛煉了我們的團隊合作能力和反復推敲驗證的求學精神。從最開始對實驗器材的選擇，我們學了8209的AD轉換器，后來發現對于PT100鉑電阻來說轉化精準度不夠。本著提高精度的設計精神我們選用了精度更高的AD轉換器。對于設計電路來說，巧妙地運用了黃老師講的恒流源電路，不僅提高了實驗精度而且使電路的設計更加合理。除此之外，我們一共選用二零三套實驗方案，分別為兩線三線和四線的設計電路。講三個電路進行反復比較，最終選定了三線橋式電路，可以有效地減少傳輸線路帶來電阻影響。可以說我們的設計是從最初的“粗制濫造”到最后精益求精的一個過程。我們三個人在這一過程中著實收獲良多。、