Pt100铂电阻测温电路设计——

温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业生产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数。在工业控制过程中需要对控制对象进行温度监测，防止控制对象由于温度过高而损坏，因此温度的实时监测就显得更加重要。对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查、保护，并及时调整温度的高低。
根据控制系统设计要求的不同，温度监测系统的设计也有所变化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。因铂热电阻具有测量范围大，稳定性好，示值复现性高和耐氧化等优点，测温系统系统常采用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。在设计中，将电压信号转换为标准的电流信号，既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。
温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。随着时代的进步和发展，数字温度计得到了迅速的发展。数字温度计的优点是准确度高，不易误读，分辨率高，特别是在测量小的温度变化时比较准确。人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数字化技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

2.设计方案论证

2.1方案设计

根据要求，本设计的测温模拟电路使用热电阻Pt100温度传感器利用其感温效应,热电阻随环境温度的变化而变化，在电路图中将电阻值的变化转换成电压的变化，再将电压值作为输入信号输入至AD转换器中进行模拟信号到数字信号的转换，其输出端接单片机，向单片机内依据公式写入源程序，将被测温度在显示器上显示出来:
测量温度范围0℃~100℃；
分辨率为0.1℃；
LCD数码直读显示。
本设计系统包括了温度测量单元，信号处理单元，A/D 转换模块，数据处理与控制模块，温度显示五个部分。
系统结构图如图2-1所示:
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2.2工作原理

本题目使用铂热电阻PT100,其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138. 5欧姆。厂家提供有PT100在各温度下电阻值值的分度表，在此可以近似取电阻变化率为0.3859/℃。向PT100输入稳恒电流，再通过A/D转换后测PT100两端电压，即得到PT100的电阻值，进而算出当前的温度值。
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总体系统设计

3.1 硬件系统设计

3.1.1温度测量电路

pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变，当PT100在0℃的时候它的阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，
铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：
（1） -200<t<0℃ Rt=R0[1+At+Btt+C(t-100)tt*t]
（2） 0≤t<850℃ Rt=R0（1+At+Bt2）
Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的DINIEC751系数：A=0. 00390802; B=-0. 000000580; C=0. 0000000000042735。
可见Pt100在常温0~ 100C之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为: RPt=100
(1+At)，当温度变化1 ℃，Pt100阻值近似变化0.39欧。
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上图左边电路包括TL431部分作为右边差分放大电路的精密稳压源，差分放大电路中T为温度采样端，T0是下限温度。
在此系统中，差分放大电路具有电路对称的特点，可以起到稳定工作点的作用，并且可以放大差模信号，抑制共模信号，这样可以抑制环境因素对电阻产生的影响，使整个系统更可靠。次差分放大电路两路电路流过电流相等，T0输出为基准电压，Pt100电阻阻值随温度改变而改变，T端为实时温度测量电压输出端，这样产生了电压差△U=（RT-80.3）mV (电路电流设定为恒定值1mA)，T，T0接信号放大器两端，经过放大，模数转换，单片机对信号处理后，便可以显示被测温度。

3.1.2信号放大电路

要求:量程100度、最小分辨率0.1度，则A=100/0.1=1000，因此至少需要10位ADC。
选用ADC工作电压为3.3V，则
则AD转换器能够识别的最小输入电压Vin min为在这里插入图片描述
在0~ 100°C范围内，当温度变化1 ℃，Pt100阻值近似变化0.39Ω，则△V≈0.39mV;
由以上分析可以看出，如果信号不放大，A/D转换器将不能识别△V0.1。因此必须对测温电桥的输出电压放大，其最小放大倍数
A/D满负载时(输出FFFFH )，Vin max= VREF;当温度为100°C时，PT100的阻值RT≈138.5Ω，则有△V100=（138.5-80.3）mV=0.0582V。
则AD转换器能够识别的最小输入电压Vin min为在这里插入图片描述
因此，调理电路总的电压放大倍数Au应满足8.3<Au<56.7，实际应用中。考虑到放大电路的稳定性，综合各方面的因素，取信号放大电路总的电压放大倍数Au=31。
根据放大倍数公式，
图3.2 信号放大电路

3.1.3 A/D转换电路

MCP355X器件是2.7V至5.5V低功耗，22位Δ-ΣA/ D转换器。器件提供输出噪声低至2.5μVrms，总不可调整误差小于10 ppm。该系列表现出小于6 ppm的积分非线性（INL）误差，3μV失调误差和2 ppm满量程误差.MCP355X器件提供高电平对于执行压力，温度和湿度等传感器测量的应用，其精度和低噪声性能。内置振荡器和高过采样率，高精度应用所需的外部元件极少。全差分模拟输入使其兼容MCP355X器件工作温度范围为-40°C至+ 125°C，采用节省空间的8引脚MSOP和SOIC封装。
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3.1.4数据处理电路

通过ATmega8单片机对MCP3551处理后的数据进行分析计算以用作输出。具体电路图如图3-5数据处理电路: 在这里插入图片描述

3.1.5显示电路

LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780 具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方
式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器(IR)和数据寄存器(DR)忙标志(BF),显示数RAM (DDRAM)，字符发生器ROMA (CGOROM)字符发生器RAM (CGRAM),地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM 由8位字符码生成57点阵字符160种和510点阵字符32种。在这里插入图片描述

3.2软件系统设计

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4.电路仿真与调试

4.1整体电路

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5.误差与精度分析

由于PT100的阻值与温度并非纯线性关系，所以，本系统必然存在一定的误差。下面对本系统的误差进行分析。
有上面的仿真结果也可以看出，理论值和实际测得值存在一定误差，0℃时，电阻和测得温度与实际温度相吻合，但100℃时，电阻和测得温度与实际温度和理论电阻值存在一定误差，下表为根据仿真所得到的的0~100℃实际电阻与温度之间的对照表：
表一实际电阻—温度对照表
RT（Ω） 100 103.95 107.87 111.78 115.68. 119.57
T（℃） 0 10 20 30 40 50

RT（Ω）	100	103.95	107.87	111.78	115.68 .	119.57
T（℃）	0	10	20	30	40	50
RT（Ω）	123.45	127.31	131.17	135.02	138.83
T（℃）	60	70	80	90	100

从上表可以看出，实际测量的值与理论值之间存在看一定的差距。造成这种差距的主要原因是计算理论阻值-温度关系时对值进行了近似处理，而之后的计算中同样存在大量近似处理。由此实际测量值和理论值之间存在着差距。另外，电路的连接中，各个电阻的阻值不全是完全符合设计要求，这种情况也会造成结果误差。
由表及在实际仿真过程中，本系统的最大误差为0.8℃（100℃时，有最大误差，在整个量程内此时累计误差达到最大），由于本系统的测量范围为0-100℃，所以，本系统的线性误差为0.008。.

参考文献

李醒飞.《测控电路》（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2016.
费业泰.《误差理论与数据处理》[M].北京：机械工业出版社，2010.