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机械毕业设计
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铂电阻数字温度计课程设计,机械毕业设计
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铂电阻数字温度计课程设计报告 专业班级： 测控技术与仪器 063 班 一、设计任务与要求 1铂电阻线性电路的设计； 2消除引线影响； 3 ICL7107显示数控电路的应用； 4. MATLAB和 PROTEUS 仿真； 5. 设计一个量程为 0-300，分辨率为 1的铂电阻数字温度计 ； 二、电路原理分析与方案设计 利用铂电阻温度传感器、随温度变化信号的线性化技术、消除引线电阻的影nts 响并使用 ICL7107 显示电路制作一个量程为 0 300，分辨率为 1的铂电阻数字式温度计。 电路原理图如下： 三、单元电路分析与设计 1. 铂电阻 PT100温度传感器 导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性： (1)电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（ 2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（ 3）材料的复现性和工艺性好，价格低；（ 4）在测量范围内物理和化学性质稳定，目前，在工业中应用最广的材料是铂和铜。 铂电阻与温度之间的关系，在 0 630.74 范围内可用下式表示： RT=R0(1+A*T+B*T2) 在 -200 0的温度范围内为 RT=R0(1+A*T+B*T2+C*(T-100 )T3) 式中： R0和 RT分别为在 0和温度 T时铂电阻的电阻值， A、 B、 C为温度系nts 数 ， 有 实 验 确 定 ， R0=100 ,A=3.90802e-3 -1 ，B=-5.80195e-7-2,C=-4.27350e-12 -4。铂电阻广泛应用于 -200 850范围内的温度测量，工业中通常在 600以下。 铂电阻随温度变化曲线： 二、线性化技术 1原理 及线路 nts （假设理想放大） V =(R0*VR)/(R0+R1) (VR-V )/R1=-(VA-V )/RT VA=-RT*(VR-V )/R1+V =-(RT*VR)/R1+(R0+R1)*V /R1 =-(RT*VR)/R1+(RT+R1)*R0*VR)/(R1*(R0+R1) =(-RT*R0-RT*R1+RT*R0+R0*R1)*VR/(R1*(R0+R1) =(-RT+R0)*VR/(R0+R1) V =(VR-KA)*R0/(R0+R1)+KA=.=-(VA-V )/RT VA=-RT*(VR-V )/R1+V =(R0-RT)*VR/(R0+R1-K(R1+RT)- nts 令 R0=R2+R3*R4/(R3+R4) 校正系数 K=R3/(R3+R4) VA=(R0-RT)*VR/(R0+R1-K(R1+RT) =(R2+R3 R4-RT)/(R2+(R3 R4)+R1-R3*(RT+R1)/(R3+R4)- 线性化电路如上图所示。图中 VR是参考电压源， RT是铂热电阻温度传感器，电路的输出电压 VA 与 VT的关系如式 ，当 RT=R0时， VT=0；参考源 VR采用负值时， VT随 RT的增加而增加。在式 中选择适当的校正系数 K，可改善温度与铂热电阻值之间的二次非线性关系。 2. K的求法 nts K值采用三点零误差法求取，首先把测温区分为三等分 ,所得三个温度点有低至高 TL、 TM、 TH,相对应的铂电阻阻值 RT 分别为 RL、 RM、 RH。线性化电路的输出分别为 VA(L)、 VA(M)、 VA(H)。 由于 TH-TM=TM-TL- 故有相对应的线性化 电路三点输出值也需在同一条直线上（即非线性误差为零）。 即 VA(H)-VA(M)=VA(M)-VA(L)- 2*VA(M)=VA(H)+VA(L)- 将线性化电路的输出表达式 VA(RT,K)代入上式得 2*VR(R0-RM)/(R0+R1-K(R1+RM) =VR*(R0-RH)/(R0+R1-K(R1+RH)+VR*(R0-RL)/(R0+R1-K(R1+RL) 约去 VR， 求得 K. K=(R0+R1)*(2*RM-RH-RL)/(RM*RL+RM*RH-2*RL*RH+R1*(2*RM-RH-RL)- 经校正后的电压 -温度曲线 VT=f（ T）的形状如右下图仿真所示，其最大误差发生在量程的约 20%处，最大正误差发生在量程的约 80%处。在量程的起点 TL、中点 TM、终点 TH 的误差均为零。在 600量程范围内，最大误差的理论计算值小于 0.05%。 三、 引线电阻消除技术 铂热电阻是以其电阻变化来反映温度变化的，如从传感器连接到仪表的引线过长，引线电阻将带来测量误差。消除引线电阻的影响的电路如下图所示。 铂热电阻 RT采用三线接法，图中， RL是 等效的引线电阻，电路的分析如下式： V1=(2*RL+RT)*Vi/R1- nts VL=(RL+RT)*V1/(2*RL+RT)=(RL+RT)*Vi/R1- (V0-VL)/R=(VL-V1)/R- V0=-V1+2*VL- 将式 、 代入式 ，得 V0=-RT*Vi/R1 式 表明，在理想情况下，引线电阻 RL 的影响已被完全消除。实际的情况则要考虑电阻的容差和右侧运放的失调影响。 消除引线 电阻影响的铂电阻线性化电路如下图所示。采用误差为 1%的金属膜电阻和通用型运放，输出 VT 经模拟开关接 3 1/2 位模数转换器 ICL7107，其最大误差如下表所示： 量程范围（） 分辨率（） 最大误差（ %满量程） -50 200 0.1 0.08 -100 400 1 0.20 -50 600 1 0.30 四、 ICL7107显示数控电路的应用 ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含 3 1/2位数字 A/D 转换器，可直接驱动 LED 数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。 nts LM324引脚图资料与电路应用 ： LM324引脚图资料与电路应用 LM324 资料： LM324为四运放集成电路，采用 14 脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小， lm324 工作电压范围宽，可用正电源 3 30V，或正负双电源 1 5V15V 工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为 O Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有 5个引出脚，其中 “+” 、 “ -”为两个信号输入端， “V+” 、 “V -” 为正、负电源端， “Vo” 为输出端。两个信号输入端中， Vi-（ -）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反； Vi+（ +）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相管脚 功能 ：数码管连接端： 2 8脚个位、 9 14 脚十位、 15 19 脚千位、 22 25 脚百位；高低电位：1 脚 V+和 26 脚 V_； 21 脚数字接地； 30 31 脚信号输入端； 32 脚模拟接地； 36 脚调到 100mv； 37脚测试端。 nts 位相同。 LM324 引脚排列见图 1。 2。 lm124、 lm224 和 lm324 引脚功能及内部电路完全一致。 lm124 是军品； lm224 为工业品；而 lm324 为民品。由于 LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因 此 他 被 非 常 广 泛 的 应 用 在 各 种 电 路 中 。 lm324 管脚图 lm324原理图 lm324工作电压 nts 四、安装与调试 1调试过程描述（一般分静态调试与动态调试两大内容） 根据电路原理和相关电路图选择好各元器件并焊接好整块电路板后，连接电源，通过电阻箱，进行整机调试 。 首先进行静态调试，由先前做好的 5V 直流稳定电压源对整机上电。 、调 A/D 转换器基准电压：调节电位器 W3，并用万用表 200mv 档测量ICL7107 的 36 脚（ VREF HI）、 35 脚（ VREF LO）基准电压 ,使得其基准电压为VREF=100mv。 、调温度计零位（ RT=R0）：再把电阻箱打到 100档，调节电位器 W1，使得数码管显示值为 00.0。 其次进行动态调试，将电阻箱调到 212.02，即对应温度为 300，调节电位器 W2，使得数码管显示值为 300；随后分别在 0 300范围内所对应的电 阻值 100 212.02之间选取适当数值（例如： 114.8、 138.50、 165.87、175.47等）进行调试，对照 PT100铂热电阻分度表观察显示温度值与电阻值是否相对应，如对应一致，则调试成功，否则要检查相应电路找出毛病并修改后继续进行调试至成功。 2、 仿真结果与实测数据进行对照： 序号 RT电阻值 对照表温度值 数码管显示值 mv 1 100 0 0 2 111.67 30 29 3 123.24 60 58 4 134.70 90 87 5 146.06 120 114 6 157.31 150 145 7 168.46 180 173 8 179.51 210 203 nts 9 190.45 240 232 10 201.29 270 268 11 212.02 300 300 五、 结论与心得 本次课程设计在前期原理分析与仿真过程遇到很多的问题，花费了较多时间在不断地摸索中寻找到了答案，例如，由（ TL、 VL）、（ TM、 VM）、（ TH、 VH）三点求得直线时斜率计算精确度不够导致曲线不够准确，因为取点位数一定时，三点当精确到 0.0001 之后有稍偏离同一直线的倾向，所以按（ TL、 VL）、（ TH、 VH）两点计算可得出较为准确的结果，即使（ TM、 VM）只是左右偏离，也会在同一水平线上。 在焊接过程中，器件选择时由于实验室电阻盒子上标称值不太清楚，开始焊接前也未用万用表重新量过，导致误把 4.7K 当作 47K 电阻来用，随后其余的均通过万用表测量进行选择，焊接过程较快。 之后进行整机调试，基准电压和零位调整较快，在调温度测量选择时， 0调节好后， 300数码管显示正常，但是在中间点 150的时候的误差值较大。开始时以为分压电阻选错，进行了调节并更换了电阻和电位器，还是不成功；后来通过仿真 ，发现理论电路
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