4温度检测电路设计与调试解析

1、6.1 工作任务【项目名称】温度检测电路设计与调试【功能要求】设计一个简单的由恒流源、 PtIOO 铂电阻传感器、信号调理电路、 A/D 转换等电路等相 关元器件构成的温度检测电路， 适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以 当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。【设计要求】1. 以温度传感器 PT-100 作为温度变化的敏感元件，它利用阻值随温度而变化的特性来 测量温度；2. 通过运放构成 1 毫安恒流源，将 PtIOO 加在恒流源上实现恒温检测；3. 把当前 PT100 热电阻传感器的电阻值转换为容易测量的电压值，经信号放大器放大后，送到 A/D 转换芯片，

2、将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统。4利用 Proteus 仿真软件完成仿真电路输入、仿真和调试；5.完成整个设计的实际电路连接。6.4 任务实施6.4.1 项目设计概况本设计系统主要包括 Pt1OO 恒流源驱动电路、信号调理电路、A/D 转换电路等三部分，结构示意图如图6-20所示。 选用精密电压源和高性能集成运放构成的恒流源驱动电路为铂 电阻Pt100提供1mA电流源，把当前 PT100 热电阻传感器的电阻值转换为容易测量的电压 值，经信号放大器放大后，送到 A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统。恒流源由压基准图 6-20 温度检测电路系统示意图6 4.2 P

3、tIOO 恒流源驱动电路设计与仿真(1)电路设计Pt100 恒流源驱动电路包括恒流源驱动电路、Pt100 铂电阻传感器的四线制接口两部分。1)恒流源电路运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，使得电压输出与电阻成良好的线性关系,温度传感器两端的电压即反映温度的变化，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。恒流源电路的设计，有用三极管构成的， 有用专门的恒流管， 也有用价格低廉的器件通过比较巧妙 的设计构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想， 系统设计的恒流源电路见下图 6-21 所示。+5V图 6-21 由运放构成的恒流源电路放大器选用低温漂、低偏置、低功耗高精度双通道

4、运算放大器OP200P, U1 构成加法器，U2 构成跟随器。设电阻 R5（ Rref）的上下电压为 Va、J V即为 U1 的输出，当电阻 R!= R2=R3=R4=RO时，则 Va=Vref+Vb，故恒流源的输出电流：1= （ Va-Vb）/Rref=Vref/Rref从上式可以看出，由于Rref为恒定值，该电流大小只与参考电压Vref有关。2）PtIOO 铂电阻传感器的四线制接口ptIOO 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的 100 即表示它在 0C时阻值为 100 欧姆，在 100C时它的阻值约为 138.5 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近 似匀速的增长，但他们

5、之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物 线。Pt100 分度表见表 6-3 所示。表 6-3 PtIOO 分度表温度0123456789uc电阻值（Q）-20018.52-19022.8322.421.9721.5421.1120.6820.2519.8219.3818.95-18027.126.6726.2425.8225.3924.9724.5424.1123.6823.25-17031.3430.9130.4930.0729.6429.2228.828.3727.9527.52-16035.5435.1234.734.2833.8633.4433.0232.632.18

6、31.76-15039.7239.3138.8938.4738.0537.6437.2236.836.3835.96-14043.8843.4643.0542.6342.2241.841.3940.9740.5640.14-1304847.5947.1846.7746.3645.9445.5345.1244.744.29-12052.1151.751.2950.8850.4750.0649.6549.2448.8348.42-11056.1955.7955.3854.9754.5654.1553.7553.3452.9352.52-10060.2659.8559.4459.0458.6358.

7、2357.8257.4157.0156.6-9064.363.963.4963.0962.6862.2861.8861.4761.0760.66-8068.3367.9267.5267.1266.7266.3165.9165.5165.1164.7-7072.3371.9371.5371.1370.7370.3369.9369.5369.1368.73-6076.3375.9375.5375.1374.7374.3373.9373.5373.1372.73-5080.3179.9179.5179.1178.7278.3277.9277.5277.1276.73-4084.2783.8783.4

8、883.0882.6982.2981.8981.581.180.7-3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.67-2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.889.489.0188.62-1096.0995.6995.394.9194.5294.1293.7393.3492.9592.55010099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.480100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.511010

9、3.9104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.420107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.7117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.4119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660

10、123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5280130.9131.28131.66132.04132.42132.8133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.4140.78141.16141.54

11、141.91110142.29142.67143.05143.43143.8144.18144.56144.94145.31145.69120146.07146.44146.82147.2147.57147.95148.33148.7149.08149.46130149.83150.21150.58150.96151.33151.71152.08152.46152.83153.21140153.58153.96154.33154.71155.08155.46155.83156.2156.58156.95150157.33157.7158.07158.45158.82159.19159.5615

12、9.94160.31160.68160161.05161.43161.8162.17162.54162.91163.29163.66164.03164.4170164.77165.14165.51165.89166.26166.63167167.37167.74168.11180168.48168.85169.22169.59169.96170.33170.7171.07171.43171.8190172.17172.54172.91173.28173.65174.02174.38174.75175.12175.49200175.86176.22176.59176.96177.33177.69

13、178.06178.43178.79179.16210179.53179.89180.26180.63180.99181.36181.72182.09182.46182.82220183.19183.55183.92184.28184.65185.01185.38185.74186.11186.47230186.84187.2187.56187.93188.29188.66189.02189.38189.75190.11240190.47190.84191.2191.56191.92192.29192.65193.01193.37193.74250194.1194.46194.82195.18

14、195.55195.91196.27196.63196.99197.35260197.71198.07198.43198.79199.15199.51199.87200.23200.59200.95270201.31201.67202.03202.39202.75203.11203.47203.83204.19204.55280204.9205.26205.62205.98206.34206.7207.05207.41207.77208.13290208.48208.84209.2209.56209.91210.27210.63210.98211.34一211.7300212.05212.41

15、212.76213.12213.48213.83214.19214.54214.9215.25310215.61215.96216.32216.67217.03217.38217.74218.09218.44218.8320219.15219.51219.86220.21220.57220.92221.27221.63221.98222.33330222.68223.04223.39223.74224.09224.45224.8225.15225.5225.85340226.21226.56226.91227.26227.61227.96228.31228.66229.02229.373502

16、29.72230.07230.42230.77231.12231.47231.82232.17232.52232.87360233.21233.56233.91234.26234.61234.96235.31235.66236236.35370236.7237.05237.4237.74238.09238.44238.79239.13239.48239.83380240 18240 52240 87241 22241 56241 91242 26242 6242 95243 29390243.64243.99244.33244.68245.02245.37245.71246.06246.424

17、6.75400247.09247.44247.78248.13248.47248.81249.16249.5245.85250.19410250 53250 88251 22251 56251.91252 25252 59252 93253 28253 62420253 96254.3254 65254 99255 33255 67256.01256.35256.7257 04430257 38257 72258 06258.4258 74259 08259 42259.76260.1260 44440260 78261 12261 46261 8262 14262 48262 82263 1

18、6263 5263 84450264 18264 52264 86265 2265 53265 87266 21266 55266 89267 22460267 56267 9268 24268 57268 91269 25269 59269 92270 26270 6470270 93271 27271 61271 94272 28272 61272 95273 29273 62273 96480274 29274 63274 96275 3275 63275 97276 3276 64276 97277 31490277 64277 98278 31278 64278 98279 3127

19、9 64279 98280 31280 64500280 98281 31281 64281 98282 31282 64282 97283 31283 64283 97510284 3284 63284 97285 3285 63285 96286 29286 62286 85287 29520287 62287 95288 28288 61288 94289 27289 6289 93290 26290 59530290.92291.25291.58291.91292.24292.56292.89293.22293.55293.88540294.21294.54294.86295.1929

20、5.52295.85296.18296.5296.83297.16550297.49297.81298.14298.47298.8299.12299.45299.78300.1300.43560300.75301.08301.41301.73302.06302.38302.71303.03303.36303.69570304.01304.34304.66304.98305.31305.63305.96306.28306.61306.93580307.25307.58307.9308.23308.55308.87309.2309.52309.84310.16590310.49310.81311.

21、13311.45311.78312.1312.42312.74313.06313.39600313.71314.03314.35314.67314.99315.31315.64315.96316.28316.6610316.92317.24317.56317.88318.2318.52318.84319.16319.48319.8620320.12320.43320.75321.07321.39321.71322.03322.35322.67322.98630323.3323.62323.94324.26324.57324.89325.21325.53325.84326.16640326.48

22、326.79327.11327.43327.74328.06328.38328.69329.01329.32650329.64329.96330.27330.59330.9331.22331.53331.85332.16332.48660332.79PT100 热电阻有二线制，三线制，四线制，其接线主要有三种方式:二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制，这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种

23、方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的方式。四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流 I，把 R 转换成电压信号 U，再通过另两根引线把 U 引至二次仪表。可见这 种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。连接导线的电阻和接触电阻会对 PtIOO 铂电阻测温精度产生较大影响， 铂电阻三线制或 者四线制接线方式能有效消除这种影响。 二线制和三线制是用电桥法测量， 最后给出的是温 度值与模拟量输出值的关系。四线没有电桥， 完全只是用恒流源发送， 电压计测量，最后给 出测量电阻值，本电路采

24、用是四线制接法。（2）电路仿真PtIOO 恒流源仿真电路如图 6-22 所示，单击仿真开关“匚口”，电路进入仿真模式，通 过电流探棒 U2（POS-IP）可以看出，该电路可以实现1mA 恒流输出。U2(POS_IP)1=0.00100001图 6-22 PtIOO 恒流源仿真电路PtIOO 恒流源驱动电路如图6-23 所示，恒流源直接为 RTD-PT100 提供恒定 1mA 电流，单击仿真开关“匚口”由于 RTD-PT100 默认温度为 100C，通过电压探棒 RT2 ( S+)可以看出，V=0.139504V。因为 RTD-PT100 温度为 100C时，其阻值为 138.51Q,根据欧姆定

25、 律可得：V=IR=0.001*138.51=0.13851，约等于仿真输出结果，说明设计电路是可行的。为了进一步验证电路可行性，分别改变RTD-PT100 温度从-200C660C,分别记录RTD-PT100 转换输出的电压信号值，详见表 6-4 所示(限于篇幅，只记录 -200C200C之 间输出结果)。图 6-23 PtIOO 恒流源驱动电路调试表 6-4 PtIOO 恒流源驱动电路调试输出结果温度C电阻值(Q)输出电压(V)温度C电阻值(Q)输出电压(V)-20018.520.191401000.1010-19022.830.232510103.90.1043-18027.10.281

26、920107.790.1081-17031.340.324430111.670.1122-16035.540.366040115.540.1164-15039.720.413050119.40.1197-14043.880.443160123.240.1243-130480.492870127.080.1280-12052.110.532680130.90.1311-11056.190.572290134.710.1352-10060.260.6132100138.510.1395-9064.30.6524110142.290.1433-8068.330.6913120146.070.1471

27、-7072.330.7314130149.830.1510-6076.330.7715140153.580.1546-5080.310.8124150157.330.1581-4084.270 8532160161.050 1621-3088.220 8951170164.770 1652-2092.160 0934180168.480.1690-1096.090.0971190172.170 173201000 1010200175.860 17616 4 3 信号调理电路设计与仿真（1）电路设计信号调理电路包括仪用放大器和反向比例放大器两部分。1）仪用放大器仪用放大器的作用是将来自于传感器

28、的信号变换成A/D 转换器能识别的信号，作为本系统， 由于温度传感器是热电阻 PT100， 因此调理电路完成的是怎样将与温度有关的电阻信 号变换成能被 A/D转换器接受的电压信号。仪器放大器通常用来精确放大混有高共棋电压 （-10V 以下）的低电平信号。隔离仪器放大器可以在- 10V 以上，甚至到 2000V 的共模电压下工作。基本仪器放大器由三只运算放大器组成，如图6-24 所示，图中 U3、U4 为同相放大器，差动输入信号加到两只同相放大器的同相输人端。U5 为差动放大电路，其作用是把进U3、U4 的输出信号进行差动放大。由于差动输入信号加到同相放大器的同相输入端，而同相放 大器较反相放大

29、器输入电阻高，因而放大器有较高的输入电阻。由于U3、U4 的接法相同，两放大器的增益相同， 两输入端对地的输入电阻相同，两放大器对应的同相端与反相端的偏流也相等。当运放的开环增益为无穷大时，放大器的同相输入端及反相输入端的电压相等， 当 U3、U4 同相端加入共模电压时，RV1 无电流通过，即 U3、U4 对共模电压的增益永远为1。通过 U5 的差动放大，便把共模电压抑制了，因而仪器放大器有较强抗共模电压能力。R8、R9、R10、R11 阻值的选择，不会影响放大器U3、U4 因放大共模电压而饱和（因为它图 6-24信号调理电路仪器放大器的差模放大倍数为:2）反向比例放大器反向比例放大器的作用：

30、 由于仪器放大器输出为负值，A/D 转换电路无法识别， 根据实际需要，把仪器放大器输出送入反向比例放大器反向输出,转换器。反向比例放大器由U6 和外围元器件构成，如图6-24 所示。（2）电路仿真、调试信号调理电路如图 6-25 所示，仪用放大电路由U3、U4、U5 和外围元器件构成，根据时，放大器输入 Ui=0.12078V 时，对应输出为 Uo=-2.99641，改变 RTD-PT100 温度值，同样 可以得放大后的电压信号，可以验证电路设计的正确性。由于仪用放大电路输出电压为负值，A/D 转换器无法识别，故经过反向比例放大电路（U6 和外围元器件构成）完成负值转换正值。如图6-25 所示

31、，当输入电压为-2.99641V 时,对用输出为 2.99866V，可以直接把转换后的数据直接送入A/D 转换器进行处理。实现负值转换成正值， 送入 A/D公式AT +誥诜可以得出该放大器放大倍数为-25。举例，当图 6-25 信号调理电路调试6 4 4 A/D 转换器（1）电路设计A/D 转换器的作用是把模拟信号转换成单片机可以识别的二进制代码。本系统使用 A/D转换器是 ADC0808，其具体功能可以参考 ADC0809，详见知识点 1 内容。A/D 转换电路如图 6-26 所示。+5VU8(CLOCK)图 6-26 A/D 转换电路（2）电路仿真、调试A/D 转换电路如图 6-27 所示

32、，单击仿真开关 匚匚” U6 输出电压信号（约等于 3V） 直接送入转换电路 IN0，利用 SW1 闭合、断开给管脚 6 提供下降沿，即可把输入模拟信号 转换成二进制代码输出，观察 OUT1-OUT8 输出端电压探针，即从高到底分别为：10011001。表 6-5 记录其中几个典型电压值对应输出结果。* CLOCKSTARTEOCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT8OEU7(IN0)R17SW110OUT121OUT5OUT714OUT2 20OUT3 19OUT4 18OUT6 15OUT8 17U72662/2874525824232212916ADC08081

33、 2+5VAADC0808图 6-27 A/D 转换电路表 6-5 A/D 转换电路部分输岀结果输入输出十进制OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT800000000000.50001101026100110011511.501001101772011001101022.5011111111273100110011533.5101100101784110011002044.5111001012295111111112556 4 5电路原理图的创建与仿真(1)电路创建1)打开 Proteus 工作界面，保存文本，此处不再详细叙述其操作过程,书籍，自行阅读。2)元器件拾取:

34、Proteus 7 Professional”，单击蓝色图标ISIS 7V=SHI.vV=SLQ.v_ V=SLQ._ H V-SW.，x-. 帖 SHIV=SLQ V=SLQ. JV=SHIOUT10 OI-T2如QUT3 igOLTR 汀OUT 弓 IEOUT6巧OUT?14 9-STARTEoc0UT4船INDIN1IM2IM3IM2628+5VA敦V=2.95S640UT7OUTBOEADDAADO BADDCALE2423722VREF(+)VREF(-)16请读者借阅相关在桌面上选择【开始】T【程序】T+5VqUaCCLOCK)JUL 尸U7Professional打开应用程序。I

35、SIS Professional 的编辑界面如图 6-28 所示。Devices”元件拾取）对话框，如图 6-29 所示。图 6-29 元件拾取对话框以放置 OP200P 为例，把元件名的全称或部分输入到Results”中显示所有 OP2OO 元件列表，双击需要放置元器件（OP2OOP）,即可添加至对象选择器窗口，元件拾取后的界面如图6-30 所示。tT禅尸：|riaJBITJTM ifrl设i十bi) IJfft： fri -iTrt IS废:才0 匪！1 I 41 (! S (v) Iff Oh 00DiU 1垂E）圃事*4逊Q凹Q 1匸工蛊#户 卫眄證 團宙呂曲曲空Pi nk Devic

36、ca用鼠标左键单击界面左侧预览窗口下面的P”按钮，如图 6-28 所示，弹出 Pick止:a*qWP I JMhOlQ匚ipKdQiECMQ54ffiMwiwCorfiecJHFDeikwgTMlii DiiiECL lIXDDSttt FtadKTKFmJ indwL：.H:; 15歸歸.匕匕S/ Wl然后关闭UVTITLEDi - ISIS FEoCcaj-ionil刃坤啞*1（EIMa ill工鼻 讯讨EWEIsjr+tai调鼠皿I*心用单址I魅粛砂0 E) K 00 NPi.cto Iieviccsl園lil申命題風口|OP200MaichhoteWffldi?OpciiAond图 6

37、-30 直接拾取元件示意图按照 OP2OOP 的拾取方法，依次把所有元件拾取到编辑界面的对象选择器中,元件拾取对话框。所有元件拾取后的界面如图6-31 所示。TITLED - ISIS Professional迪骗辑工具（I）设计Matchlhole Wds?Categoiy:D色吗超l#B*Ksywoidte:氐Pick DevicesPl LDEVICES741AD匚0808OP07C0P2D0PPOT-UNRESRTD-PT100SW-SPSTII匚剖凹亦词3吕:|屋回廖Analog IC$Capadtcrs CMOS 4000series Conneciors DataConverte

38、rs DebuggingTools Diode?E CL 10000 Serri&sElectromechanicalInductofsLaplKPrimitivesMemory IlCs M沁roptocessorICsModelng PrimiliwesFlnprtinnAl DimKiaz图 6-31经过以上操作，在对象选择器窗口中，所有元件拾取后的界面已有了 741、 ADC0808、 OP07C、 OP200O、 POT-LIN 、RES、RTD-PT100、SW-SPST 八个元器件对象，此时，我们已注意到在绘图工具栏中的元 器件按钮2 处于选中状态。3）放置元器件：在对象

39、选择器窗口中，选中OP2OOP,将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，该对象被完成放置。同理，将其它元件放置到图形编辑窗口中。若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标， 完成移动操作。4）放置电压源和接地引脚单击绘图工具栏中的信号发生器按钮，在对象选择器窗口，选中对象POWER，如图6-32 所示。将其放置到图形编辑窗口。单击绘图工具栏中的信号发生器按钮，在对象选择器窗口，选中对象GROUND，如图 6-33 所示。将其放置到图形编辑窗口。元件拾取对话框。所有元件拾取后的界面如图6-31 所示。图 6-32 放置电压源图 6-33 放置接地引脚5