PT100的温度显示仪表系统设计.docx

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 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 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,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。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。 温度061218243036424854电阻值（）-20100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5140103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.40100107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.29160111.67112.06112.45112.93113.22113.61114.00114.38114.77115.15220115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.01280119.40119.78120.17120.55120.94121.32.121.71122.09122.47122.86340123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.69400127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.52460130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.57133.95134.33520134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13580138.55138.93139.34139.74140.12140.53140.92141.33141.76 温度表 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10.4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