PT100鉑熱電阻溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、國(guó)防和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，溫度測(cè)量和控制都是極為重要的課題。溫度測(cè)量系統(tǒng)在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同，溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。本系統(tǒng)選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號(hào)采集元件，來進(jìn)行溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基本工作原理

PT100鉑熱電阻的阻值隨著溫度的變化而變化，利用這一特點(diǎn)來采集溫度信號(hào)，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由單片機(jī)系統(tǒng)讀??；單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件組成主要包括恒流源電路、電壓放大、A／D轉(zhuǎn)換接口電路、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個(gè)組成部分。

2.1 恒流源電路

恒流源電路如圖1所示。其中芯片OP07為運(yùn)算放大器，它和5個(gè)電阻組成恒流源電路，在VIN+處輸出1 mA的工作電流。圖中DGND=5 V，VMC=0 V，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別是NET1，NET2，NET3，NET4。設(shè)流過R110的電流為Ia，流過R114的電流為Ib，單位為mA，方向都向右。

則根據(jù)運(yùn)放的虛斷和虛短，則有方程：

DGND-(R111+R110)×Ia+R114×Ib-R113×((DGND-R111×Ia)／R112)-(VDGND-R111×Ia)=0

代入數(shù)據(jù)，有：

5-(10+1)×Ia+1×Ib-2×((5-10×Ia)／10)-(5-10×Ia)=0

可算得Ia+Ib=1，而Ia+Ib即為所求電流I，為1 mA。

根據(jù)方程，可知要得到Ia+Ib為常數(shù)，必須滿足：

R113×R111／R112-R110=R114

所以，這個(gè)電路成為恒流源的條件是：

R111／R112=(R110+R114)／R113

如果R111=R112則必須R110+R114=R113，此時(shí)，恒流值為I=DGND×R113／R112／R114。

其中J110用于連接PT100鉑熱電阻。

2.2 電壓放大及A／D轉(zhuǎn)換接口電路

PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小，如果直接與A／D轉(zhuǎn)換器相連接，則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)偏差較大；所以本設(shè)計(jì)中將PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓放大10倍后與電壓跟隨器相連接，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，這樣就能得到較好的轉(zhuǎn)換效果，如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準(zhǔn)芯片MC1403組成放大電路，VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值；WIN-為基準(zhǔn)電壓源MC1403輸出的電壓值；VOUT為放大后的輸出電壓值。計(jì)算公式為：VOUT=G×((VIN+)-(VIN-))，其中G的大小由電阻R120來決定，G=1+50 kΩ／R120。芯片OPA277與外圍電阻組成電壓跟隨器。