基于铂电阻数字温度计设计.doc

信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计报告书题目: 基于铂电阻的数字温度计的设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010 年 9 月20 日 信息工程学院课程设计任务书学 号 学生姓名 专业（班级） 设计题目基于铂电阻的数字温度计的设计设计技术参数pt=3.9610-31/KCm=4.3310-31/KNt=6.1410-31/K设计要求通过查阅国内外相关文献资料，了解数字温度计的发展历程，对数字温度计的现状，技术水平与发展趋势有一个初步的认识与了解；研究温度传感器的理论原理与发展应用；研究温度的采集过程，将微弱的模拟信号进行放大，及其通过atmega16单片机处理过后怎样将温度显示出来；研究由于温度与电阻值的非线性变换，采用怎样的校正电路进行校正。工作量本课程设计分四周完成，预计在30页工作计划第一周：确定题目，拟出初步方案；第二周：查找相关资料并整理；第三周：着手具体的工作，开始设计；第四周：整理相关文档；参考资料1孙建民，杨清梅传感器技术M北京交通大学出版社，2005：4-372刘笃仁，韩保君传感器原理及应用技术M西安电子科技大学出版社，2003：3-113LIU GUANGYUThe State of The Art and The Future of SensorsJMeasure And Cntrol Technology，1999，65(18)：1-44张剑平，胡萍萍传感器的发展方向及其数字传感器的地位J传感器世界，2001，5(10)：1001-1004指导教师签字教研室主任签字 年 月 日 学生姓名： 学号： 专业（班级）：电气工程及其自动化 课程设计题目： 基于铂电阻的数字温度计的设计 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日信息工程学院课程设计成绩评定表- -摘 要温度计量是计量学的一个重要分支，它在国民经济各领域中占有重要的地位。人们的日常生活、工农业生产与科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系。1871年，西门子(Sir william Siemens)发现了铂电阻测温原理，制造出第一支铂电阻温度计。1887年，卡伦德(Hugh Callendar)改进了铂电阻温度计的工艺与研制测温电桥并得到了著名的卡伦德公式。之后，铂电阻温度计成为国际温标的标准仪器，并一直沿用至今。金属热电阻是一种广泛应用的温度传感器。它以测量精确，线性好，重复性好，测量范围大，体积小等的点被用在很多场合，其中铂电阻传感器被定为测温的基准。金属热电阻特别是铜、铁等热电阻的大量使用，将给使用者在传感器的标定造成重复性的麻烦。因为传感器的标定既复杂又要求苛刻，且成本较高。为了解决这个问题我采用了一种方便的以精密铂电阻为标准传感器的金属热电阻的来作为温度传感器。本文采用atmega16单片机作为处理的核心部分；用pt100作为温度传感器，由于atmega16单片机自带有A/D转换功能，把采集到的温度经放大后直接送到atmega16单片机，经过atmega16单片机处理后送到显示器，显示器将显示采集的温度，这样就能够达到题目的要求，而且其准确性也较高。关键字：atmega16单片机，pt100温度传感器，数码显示，protuesAbstractTemperature metrology, a major branch of metrology, plays an important role in every field of national economy . For example, peoples daily life, industrial and agricultural production,scientific experiments and many other aspects are all connected closely to the temperature metrology. In 1871, Sir william Siemens discovered the principle of temperature measurement of platinum resistor and created the first platinum resistance thermometer in the world. , The platinum resistance thermometer technics was improved by Hugh Callendar in 1887 . At the same time he developed bridge for measuring temperature and made out the famous Callendars formula. From then on Callendars thermometer has been used as a standard instrument to international temperature scale. Metal heat resistance was widely used as temperature pickup in many situations for its precision measurement, good linearity and repetitiveness, great measuring range and minute extension. Callendars thermometer is a standard among them. Too much metal heat resistance used especially copper ,iron etc.will cause repetitive problems in demarcating the sensors. Considering its complexity, strictness and high costs, I use a convient metal heat resistance as temperature pickup,which has a precise platinum resistance as its standard sensor.In this theory, I use atmega16 as function center and pt100 as temperature pickup. As atmega16 itself has A/D transforming function, I can send it the gathered temperature directly, then atmega16 will deal with the temperature and present it on the monitor. In this way, I can fulfill this issue, and it is more accurateKey words: Atmega16, pt100 temperature pickup, Digital display, protues目 录1 绪 言11.1课题背景11.2国内外研究的发展及现状11.2.1温度传感器的的概述及发展现状11.2.2传感器检测技术概述及发展现状31.2.3数据采集技术概述及发展现状41.3 本课题研究的内容42总体设计方案52.1 提出总体设计方案52.2总体设计方案论证53 测量电路理论基础73.1 铂电阻的选取73.1.1铂电阻的特点73.1.2铂电阻的结构与性能83.2铂电阻温度的测量方法93.2.1电桥测量方法93.3放大电路设计113.4系统测温电路图124 单片机硬件电路设计124.1Atmega16单片机介绍124.2 ATmega16产品特性134.3 ATmega16 引脚功能154.4 ATmega16 内核介绍164.5 Atmega16单片机系统电路图165 温度显示电路理论及设计16总结22参考文献231 绪 言1.1课题背景二十一世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域与空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术传感技术必须跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识与控制相应的对象提供条件与依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺韵一个重要领域。在信息化社会，几乎没有任何一种技术的发展与应用能够离得开传感器与信号探测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送与处理都息息相关。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。可以说传感器是新技术革命与信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，它与通讯技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、声学、精密机械、材料科学等众多科学相互交叉的综合性高新科技技术密集型前沿技术之一，广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环境保护、灾害预测预防、农业、机器人、家电等各个领域，可以说几乎渗透到人类活动的各个领域。温度是一个与人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量与控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。其测量控制一般应用各式各样形态的温度传感器。我国广泛应用于气象、环保、纺织、生化等行业德各个方面，另外农业、食品、木材、煤炭等对温度传感器的需求也在不断增加。金属铂的电阻值随温度变化而变化基本成线形关系，并且具有很好的重现性与稳定性，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-200650最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温及各种实验仪器仪表等领域，而且被制成各种标准温度计(涵盖国家与世界基准温度)供计量与校准使用。1.2国内外研究的发展及现状1.2.1温度传感器的的概述及发展现状二十一世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之二。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。八十年代以来，西方国家一直将此列为重点发展高新技术。改革开放二十多年来，我国建立了“传感技术国家重点实验室、“微米纳米国家重点实验室、“国家传感技术工程中心等研究开发基地；在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格的新产品，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种；同时全国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产与应用，其中从事MEMS(微电子与微机械的结合)研制生产的已有50多家。目前全行业正在执行“十一五”计划，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点。2004年上半年，产品产销量继续增长，预计到“十一五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿只，销售总额将达约120亿元，从而初步形成了电子制造业中的经济增长点。传感器作为信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究与生活等领域，数量高居各种传感器之首。进入二十一世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器与网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。同时多种高精度、高分辨力的温度传感器已在相继推出与研制。由美国DALLAS半导体公司新研制的DSl624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达003125，测温精度为正负02。转换时间分别仅为27us。目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统，它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108109元件片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：1传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；2模拟集成温度传感器控制器；3智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在二十一世纪九十年代中期闯世的。它是微电子技术、计算机技术与自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)与接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器与只读存储器。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入二十一世纪后智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发基于传感器硬件与计算机平台、并通过软件开发而成的，利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标的虚拟传感器与包含数字传感器、网络接口与处理单元的网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展”1.2.2传感器检测技术概述及发展现状工业设备在制造过程及整机性能测试中离不开各种机械量与几何量，有些工业设备在运行中还要经常对多种物理量进行检测或监视，实际生产、生活与科学实验中还会遇到化学量、生物量(包括医学)，而所有这一切，从信号工程的角度来看，都需要通过传感器，将其转换成电信号(近代还可以转换成光信号)，而后再进行信号的传输、处理、存储、显示、控制从信息的角度看，这些信号连同声音与图象信息都是信息的源头，所以传感器与检测仪表、测量仪表是信息科学技术的三部分(信息获取、信息传输、信息处理)中的重要部分。在现代工业设备中，传感器与检测仪表是不可或缺的一部分的理由，还可由以下两方面来看：传统的工业设备如在其上增加了必要的传感器，配备精密测量部件，则其功能与精度可以提高，便于用户操作与维护，安全等级也可以提高，设备可以增值；工业设备作为自动化系统的控制对象或作为自动化系统的一部分，必须能与自动化系统的三部分相兼容或提供接口，使之集成为一个有机的整体，无论是单机自动化或作为大型自动化装置的一部分，都使该工业设备的用途扩大。综上所述，作为工业设备本身增加传感器与检测仪表、测量仪表或提供接口，是传统设备更新换代的必要条件。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业，是二十一世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器(如EJX变送器)。微电子机械加工技术，包括微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术(X光深层光刻、微电铸与微复制技术)、激光微加工技术与徽型封装技术等。MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化与可靠性水平提高到了新的高度。传感器的检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器与微处理器及相关集成电路(运算放大器、A/D或D/A、存贮器、网络通讯接口电路)等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化、网络化。目前主要是指采用多种现场总线与以太网(互联网)，这要按各行业的特点，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Profibus、CAN、LonworkS、ASimerbus、TCPIP。除MEMS外，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件与纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型盆子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等。多传感器数据融合技术正在形成热点，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测与测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以至于融合，这是必然的趋势。多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。多传感器数据融合的定义概括为：把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余与矛盾，加以互补，降低其不确定性，获得对被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性与正确性，使系统获得更充分的信息。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层融合、特征层融合、决策层融合。由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步推广应用。应用领域除军事外，还适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。1.2.3数据采集技术概述及发展现状信息社会的发展，在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。数字信号处理技术的出现改变了信息与信号处理技术的整个面貌，而数据采集作为数字信号处理的必不可少的前期工作在整个数字系统中起到关键性、乃至决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的各个领域中。数据采集技术(Data Acquisition)是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。将被测对象的各种参量检测采集后，转换成数字信号送到计算机进行存储、分析与处理，这一过程称为“数据采集”。相应的系统称为数据采集系统。根据系统结构的不同，数据采集控制系统可分为集中式数据采集系统与分布式数据采集系统，前者的特点是现场进行数据采集、处理与控制，上位机与被测对象的位置较进，时实性强，适用于上位机与被测对象距离较短目标采集，速度要求较高的场合。后者对被测设备进行数据采集并转换成数字信号，经由现场总线上传至上位机，经上位机进行处理后，对现场设备进行控制，适用于对多个现场设备进行远程监控与维护的场合。数据采集系统的任务：采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算与处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统大多采用单片机作为微处理器，以此来测量各种参数的大小，并将测量值通过串口传输到上位机。采用这种设计，系统制造简单、成本低。本文就介绍了一种以MSP430单片机为核心的数据采集系统，Pt膜温度传感器的参数经过电路转换后成为可测量的参数，传给上位机完成Pt膜温度传感器性能参数的测量。1.3 本课题研究的内容（1） 通过查阅国内外相关文献资料，了解数字温度计的发展历程，对数字温度计的现状，技术水平与发展趋势有一个初步的认识与了解；（2） 研究温度传感器的理论原理与发展应用；（3） 研究温度的采集过程，将微弱的模拟信号进行放大，及其通过atmega16单片机处理过后怎样将温度显示出来；（4） 研究由于温度与电阻值的非线性变换，采用怎样的校正电路进行校正。2总体设计方案2.1 提出总体设计方案根据数字温度计题目的要求，提出以下几种方案：方案一：采用了最简单的方式，就是将传感器输出的信号，经过D/A转换后直接显示。传感器显示器D/A方案二：采用MAXIM公司生产的DS18B20来采集温度，DS18B20是采用1wire总接口的数字温度计，测量温度范围为-55+125，精度可达到0。0675，最大转换时间为200ns。这器件可用一根引与处理器相连，以串行方式将数据送到处理器，经处理器处理后直接显示。显 示单片机DS18B20键盘方案三：采用pt100热电阻作为温度采集的传感器，把采集到的温度直接送到atmega16单片机，经过atmega16单片机处理后送到显示器，显示器将显示采集的温度，显示单片机放大器Pt100温度传感器键盘2.2总体设计方案论证四种方案的比较（1）控制部分 方案二、三都采用了单片机作为控制，作为一种新型的微处理器，可以通过智能编程的方式，可以进行扩展，而且能够具有超温报警与自动控制功能。而方案一没有采用控制，直接把温度显示出来就完了。这样就只能完成对温度的显示。（2）传感器部分 方案一、三的传感器可以选一样，可以选热敏电阻与其它的传感器，但我们这里选用了pt100。方案二采用的传感器是DS18B20，这种传感器虽然硬件简单，但是成本较高。所以没有采用这种传感器。（3）显示部分 方案一采用的是一种将十进制转换成七段码的ADC，可以采用ICL7106来将采集到的温度进行显示，这种方案很简单，但是它的可控性很差，只能进行显示。方案二、三都是采用了单片机在内部远算之后，才由显示部分显示出来。在上面几种方案中，虽然它们各自有自已的优点，特别是第二种方案，它的硬件很简单，只要把程序写好，就能够运行了。可是为了将学的知识系统的组合起来，我选择第三种方案，此方案不仅用到了单片机，还用到了模电与数点知识。系统很容易进行扩展。3 测量电路理论基础3.1 铂电阻的选取早在十九世纪末，人们就开始使用电阻法进行温度测量。1871年西门子(CwSimens)把铂丝绕在粘土上，然后再套上铁管构成电阻感温元件，作为测温的工具。直到今天，铂电阻依旧是国际实用温标中的一种重要的内插仪器。它的下限温度已经延伸到平衡氢三相点温度(13.81K)，并且人们还在努力把它的上限点提高到银的凝固点(+961.93C)或金的凝固点(+1064.43C)，并用它来替代精确度稍差的铂铹一铂标准热电偶。3.1.1铂电阻的特点任何物体的电阻都与温度有关，因此，都可以用它们来测量温度但能满足实际要求的不多因为实际温度测量元件不仅要求有较高的灵敏度而且要求有较高的稳定性与复现性，金属热电阻是最普遍的一种，其最大的特点是稳定性好，以铂电阻的精度最高它不仅广泛用于工业测量，更重要的事它还能制成标准的与基准的温度计铂热电阻的特点为：（1）有较高的电阻一温度系数，表示为 （3.1）式中，R为热电阻的阻值，dR/dt为热电阻的电阻值随温度的变化率一般电阻温度系数与金属的纯度有关，金属愈纯则值愈大，电阻与温度的关系并非线性关系，故多用温度R100与R0的电阻比值RIOORo代表0C一100C之间的平均温度系数，如pt=3.9610-31/KCm=4.3310-31/KNt=6.1410-31/K（2）材料的电阻率大这样可以是热电阻的体积做得更小，测温时的热惯性也小：另外电阻率较大时，可用较短较粗的金属丝制造R0值较大的热电阻体，从改善机械性能与稳定性如在0C时，则pt=9.810-8.mCm=1.610-8.mNt=6.910-8.m（3）已得到高纯材料，易提纯，复制性好，互换性好。（4）满足对温度传感器的基本要求如灵敏度大，线性好，复现性高，响应时间小，价格便宜，物理化学稳定等优点。3.1.2铂电阻的结构与性能铂电阻常用的有两种：杆式与囊式。杆式的上限温度很高可使其温度范围在-183C630C与OC1100C，分别称为中温铂电阻与高温铂电阻。囊式铂电阻的下限温度低，可使用于-263C+200C，所以有称为低温铂电阻。而在工业上广泛应用的铜铂电阻的测温范围为-50C+100C (线性较好的温度范用)。常见的铂热电阻是杆式铂电阻，它是由铂丝、绝缘架与保护套管组成。铂热电阻通常用直径为0.030.070.005毫米的铂丝单层绕制而成。铂丝的直径大小将直接影响铂电阻的强度与它的热惰性的大小，同时，由于铂是贵金属，也影响其成本。铂丝粗则强度好，热惰性大，成本就高。铂电阻应采用无应力结构，也就是说，铂丝受热膨胀或冷却时都不受支架的约束。因为金属的电阻与温度计的结构有关。金属中的应力状态会改变它的电阻温度特性。此外，铂电阻一般是采用无感绕制的，要尽可能地减d、电阻中的电感值。热电阻的电阻值不仅与制造热电阻的材料与导线的物理形状有关同时也与温度有关系即它不仅与p、L、S有关还与温度有关。当不考虑温度的影响时，导体的电阻值R可以用下面的关系式表示： （3.2）式中电阻率（）L导线长度（cm）S导线截面积（cm2）当考虑温度的影响时，而导体材料的电阻率随温度变化的关系为：t=0（1+t） （3.3）式中t导线材料在温度为tC时的电阻率0导线材料在温度为0C时的电阻率导体材料的电阻温度系数（/C）当温度改变时，L、S可以近似看作不变，导体的电阻可表示为：Rt=R0（1+t） （3.3）式中Rt导体材料在温度为tC时的电阻值R0导线材料在温度为0C时的电阻值导体材料的电阻温度系数（/C）在温度范围-200C0C之间，铂热电阻的电阻与温度之间的关系为Rt=R1+At+Bt2+Ct3(t-100) （3.4）在温度范围0C650C之间，铂热电阻的电阻与温度之间的关系为Rt=R0(1+At+Bt2) （3.5）A、B、C为温度系数，他们的值为A=3.968710-31/CB=-5.8410-31/（C）2C=-4.2210-121/（C）43.2铂电阻温度的测量方法铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性与稳定性好等,被广泛用于中温(-200650)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正与微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值与温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。3.2.1电桥测量方法常用的Pt电阻接法有三线制与两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。其中图3.1为三线制桥式测温电路，图3.2为两线制桥式测温电路，图3.3为恒流源式测温电路。下面分别对桥式电路与恒流源式电路的原理在设计过程中应注意事项进行说明（1）桥式测温电路桥式测温的典型应用电路如图所示（图3.1与图3.2均为桥式电路，分别画出来是为了说明两线制接法与三线制接法的区别）。测温原理：电路采用TL431与电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1R2，VR2为100精密电阻），当Pt100的电阻值与VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3R4、 R5R6、放大倍数R5/R3，运放采用单一5V供电。设计及调试注意点： 同幅度调整R1与R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。 VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0，即0时电阻为100，当电位器阻值调至109.885时，温度的零点就被设定在了25。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。 理论上，运放输出的电压为输入压差信号放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （3.6） 式中电阻值以电路工作时量取的为准。 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了。（2）恒流源式测温电路恒流源式测温的典型应用电路如图3.3所示。测温原理：通过运放U1A将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为10），即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“+”端与“-”端电位V+V-4.096V；假设运放U1A的输出脚1对地电压为Vo，根据虚断概念（0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt1000，因此电阻Pt100上的压降VPt100Vo-V-V-*RPt100/R1，因V-与R1均不变，因此图3.3虚线框内的电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V- /R1，Pt100上的压降仅与其自身变化的电阻值有关。设计及调试注意点： 电压基准源可以采用TL431按图3.1的电路产生可调的。等效恒流源输出的电流不能太大，以不超过1mA为准，以免电流大使得Pt100电阻自身发热造成测量温度不准确，试验证明，电流大于1.5mA将会有较明显的影响。运放采用单一5V供电，如果测量的温度波动比较大，将运放的供电改为15V双电源供电会有较大改善。电阻R2、R3的电阻值取得足够大，以增大运放的U1B的输入阻抗。当然做恒流源还有很多方法，TL431的Datasheet上就有其作为恒流源的详细介绍。图3.1 三线制接法桥式测温电路图3.2两线制接法桥式测温电路图3.3恒流源式测温电路3.3放大电路设计由于所测出的Pt电阻温度传感器两端的电压信号非常微弱，所以此电压在进行AD转换之前必须经过放大电路(如图3.4所示)的放大。由于本系统要求有0.5mA、0.67mA、1.0mA三个不同电流档位的选择输出，AD转换的电压范围在1.5V，所以对于Ptl00来讲，当温度在100时，其电阻的标准值为13851Q。经过计算，Ptl00恒流源在0.5mA、0.67mA、1.0mA三个不同电流档位时放大电路的放大倍数分别为20倍、15倍、10倍左右时可以满足A/D的要求。图3.4 放大电路原理图3.4系统测温电路图综合前面知识可画出系统测温电路图，如图3.5所示图3.5 系统测温电路图4 单片机硬件电路设计Pt100温度传感器测试本系统中的单片机部分采用ATmega16单片机作为控制器的核心。4.1Atmega16单片机介绍ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗与处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集与32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断与硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 与除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器与异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。4.2 ATmega16产品特性高性能、低功耗的8位AVR微处理器先进的RISC 结构131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期32个8位通用工作寄存器全静态工作 工作于16MHz时性能高达16MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器非易失性程序与数据存储器16K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000次具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000次1K字节的片内SRAM可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)符合JTAG 标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试功能通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位与锁定位的编程外设特点两个具有独立预分频器与比较器功能的8位定时器/计数器 一个具有预分频器、比较功能与捕捉功能的16位定时器/计数器具有独立振荡器的实时计数器RTC四通道PWM8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口两个可编程的串行USART可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测片内经过标定的RC振荡器片内/片外中断源6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式I/O与封装32个可编程的I/O口 40引脚PDIP封装, 44引脚TQFP封装, 与44引脚MLF封装工作电压:ATmega16L：2.7-5.5V ATmega16：4.5-5.5V速度等级8MHz ATmega16L 0-16MHz ATmega16ATmega16L在1MHz, 3V, 25C时的功耗正常模式: 1.1 mA空闲模式: 0.35 mA掉电模式: 1 A4.3 ATmega16 引脚功能引脚名称 引脚功能说明VCC 电源正GND 电源地端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出与吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7-PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出与吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能.端口C(PC7-PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出与吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7-PD0) 端口D为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出与吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。4.4 ATmega16 内核介绍为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 结构，具有独立的数据与程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令( 在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。 快速访问寄存器文件包括32 个8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU 操作。在典型的