唐 軍，羅德雄，杜秀君（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與控制工程系，四川宜賓，644000）

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基于PT100的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

唐 軍，羅德雄，杜秀君
（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與控制工程系，四川宜賓，644000）

摘要：超聲電源設(shè)計中，換能器管道溫度是電源控制的重要參數(shù)之一，本設(shè)計利用精確度度極高的電阻溫度檢測器PT100作為溫度傳感器，利用OP27和可調(diào)節(jié)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431設(shè)計了恒流源電路，并將PT100上接入恒流源電路中，利用后級的差分放大電路對PT100上的溫度-電壓信號進(jìn)行放大，再利用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1110進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行查表比對，得到了精確的溫度信息。通過實驗證明，本系統(tǒng)測量溫度準(zhǔn)確，具有高可靠性和高精度的特點。

關(guān)鍵詞：溫度測量；傳感器；電源

課題：宜賓市重點科技計劃項目+宜賓市科技局+新型大功率超聲電源研制+2013GY011

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度的測量是當(dāng)今工業(yè)中一個基礎(chǔ)性課題，在很多工業(yè)場合，都需要完成溫度的測量。在超聲電源中，換能器管道溫度是電源控制的參數(shù)之一，在管道的溫度測量中，溫度傳感器的選擇尤為關(guān)鍵。溫度傳感器可以分為四類：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器。這四種傳感器都有各自的優(yōu)缺點。在本設(shè)計中，我們選擇精確度度極高的電阻溫度檢測器PT100進(jìn)行設(shè)計。

1 PT100溫度傳感器工作原理

本次采用PT100作為溫度傳感器，PT100在0°C時的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，在100°C時的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，溫度系數(shù)TCR=0.003851。隨著溫度的改變，PT100的電阻也發(fā)生改變，并遵循以下公式：

依據(jù)此公式，對PT100的溫度和電阻值的關(guān)系進(jìn)行計算，在整個PT100的的測量范圍內(nèi)（），溫度上升則PT100的電阻值也會上升，溫度最低點-200°C對應(yīng)的電阻值下降到19.524Ω，而在溫度最高點850°C，PT100的阻值則上升到了390.4811Ω。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文基于PT100設(shè)計了一種溫度測量系統(tǒng)，首先采用OP27和可調(diào)節(jié)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431構(gòu)成恒流源設(shè)計，并將PT100接入到此電路中，由于PT100的電阻值隨溫度變化而變化，因此，溫度值就被轉(zhuǎn)化成了電壓量。得到了PT100的電壓值之后，利用OP27構(gòu)成差分放大電路，對此電壓進(jìn)行放大，并送入ADC中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的值經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行查表，得到具體的溫度值，然后將此數(shù)據(jù)送入LCD1602進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)的設(shè)計框圖如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

在系統(tǒng)中，恒流源與差分放大電路用到的運(yùn)放均選擇OP27，ADC選擇ADS1110，單片機(jī)選擇STC89C52單片機(jī)，液晶顯示選擇LCD1602。

3 硬件設(shè)計

本文基于PT100的溫度測量系統(tǒng)，硬件設(shè)計方面難點主要在恒流源設(shè)計、差分放大電路設(shè)計，圖2為本文利用OP27、TL431 和PT100完成的溫度-電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖。

3.1 恒流源電路設(shè)計

本文選用OP27和可調(diào)節(jié)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431完成恒流源設(shè)計。OP27精密運(yùn)算放大器兼有OP27的低失調(diào)電壓和漂移特性與高速、低噪聲特性。失調(diào)電壓低至25 μV，最大漂移為0.6 μV/°C，因而該器件是精密儀器儀表應(yīng)用的理想之選。極低噪聲（10 Hz時en=3.5nV/√Hz）， 低1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率（2.7Hz）以及高增益（180萬），能夠使低電平信號得到精確的高增

本設(shè)計中，為了保持測量數(shù)據(jù)的精度，采用了調(diào)零設(shè)計。

本設(shè)計中，TL431內(nèi)部具有2.5V的參考電壓，令滑動變阻器R17的電阻比為n（），則依據(jù)TL431的手冊可知，送入OP27同相端的電壓為：

式中，VR為芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓。

由上式可知，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動變阻器R17的電阻比n的時候，運(yùn)放同相端得到的輸出電壓也將隨之改變，又由于R11上接的電壓為5V，故調(diào)節(jié)滑動變阻器R17的電阻n，能得到的運(yùn)放電壓同相端輸入電壓的范圍為2.5V到5V，實際使用中，我們約調(diào)節(jié)到3.5V的輸出使用。

隨著PT100的溫度發(fā)生改變，其電阻值也隨之改變，在恒流源電路作用下，表現(xiàn)為PT100上的電壓將發(fā)生改變。因此在后級電路，設(shè)計了一個差分放大電路去放大該信號。

圖2 恒流源與差分放大電路設(shè)計

3.2 差分放大電路設(shè)計

在恒流源電路中，我們已經(jīng)利用設(shè)計的恒流源電路將PT100的電阻值變化，反應(yīng)到電壓信號上，但若流過PT100的電流過高，則將導(dǎo)致PT100自身的熱效應(yīng)也要影響到系統(tǒng)，故需對流過PT100的電流值進(jìn)行限制，因此實際使用中，我們通過調(diào)節(jié)R17，將此電流限制在1mA。

經(jīng)過此差分運(yùn)放放大電路，PT100的電壓值被放大了6倍。

4 軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計部分，完成系統(tǒng)初始化后，主要是對ADS1110進(jìn)行驅(qū)動設(shè)計。

ADS1110 是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)模/數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率封裝為小型SOT23-6片內(nèi)2.048V的基準(zhǔn)電壓提供范圍為2.048V的輸入差分電壓，ADS1110 使用可兼容的串行接口在2.7V至5.5V的單電源下工作。本設(shè)計中，設(shè)計ADS1110的供電電壓為5V，編寫驅(qū)動，取得ADC的采樣值后，查表，與預(yù)存在STC89C52中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，就得到了溫度值。

5 系統(tǒng)調(diào)試

設(shè)計完成后，我們對該設(shè)計進(jìn)行開板制作，測試過程中，我們用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計和PT100測溫系統(tǒng)進(jìn)行了對比，對比結(jié)果驗證了我們設(shè)計的正確性。

圖3 溫度測量系統(tǒng)實物圖

參考文獻(xiàn)

［1］ 戴佳，戴衛(wèi)恒，劉博文.單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］. 北京：電子工業(yè)出版社， 2008，12

［2］ 張修太，胡雪惠，翟亞芳等.基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究，傳感器技術(shù)學(xué)報，2010.06

［3］ 楊建國. 你好，放大器［M］.科學(xué)出版社，2015.9

Based PT100 temperature measurement system design

Tang Jun，Luo Dexiong，Du Xiujun
（Department of Electronic Information and Control Engineering，Yibin Vocational and Technical College Sichuan Yibin 64400）

Abstract：In design of ultrasonic power supply，the temperature of transducer pipe is one of the important parameters of power control.In this paper，we designed a device for measuring temperature.Firstly，a temperature sensor with high accuracy of resistance temperature detector PT100 is used，and the constant current source circuit is designed by using the OP27 and the adjustable precision shunt regulator TL431. Secondly，the PT100 is connected to the constant current source circuit， and the differential amplifier circuit is used to amplify the temperature voltage signal on the PT100. Thirdly，high performance analog to digital converter ADS1110 is used for AD conversion.Finally，the accurate temperature information is obtained while the data of conversion into the single chip microcomputer is check with table. The experimental results show that the system has high reliability and accuracy.

Keywords：Temperature measurement；sensor；power supply

作者簡介

唐軍（1981.11），男 漢族 四川雅安人 宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與控制工程系 理學(xué)碩士，講師，從事光子晶體、超聲電源研究