舒 望

（湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南 株洲 412001）

目前，用于溫度測量的裝置，其結構主要由溫度傳感器、主機模塊、顯示電路等部分組成。其溫度傳感器主要采用熱敏元件和數字式器件，采用熱敏元件的溫度測量裝置，雖然傳感器價格便宜，但分辨率比較低，一般只能達到0.1℃左右；采用數字式器件的溫度測量裝置，不僅電路簡單，且分辨率較熱敏元件有所提高，一般能達到0.06℃左右。但在某些分辨率要求更高的工業(yè)控制、科學實驗、航空航天等場合，該數字式器件的溫度測量裝置就不能滿足要求了。因此，找到一種高精度的熱敏元件，配合相應的電路及控制程序能夠實現(xiàn)高分辨率的溫度測量，對現(xiàn)有的溫度測量電路進行改進是非常有必要的。

1 鉑電阻的測溫原理

圖1 溫度測量電路結構框圖Fig.1 Block diagram of temperature measurement circuit

鉑電阻是用真空沉積的薄膜技術把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2μm 以內，用玻璃燒結料把Ni（或Pd）引線固定，經激光調阻制成薄膜元件。它的電阻值會隨溫度變化而變化，通過測量其電阻值推算出被測物體的溫度。電阻值與溫度的變化成正比的，稱之為正溫度系數，與溫度成反比的，稱之為負溫度系數。鉑電阻在冰點0℃時的電阻值稱為標稱電阻，常用的阻值有200Ω、500Ω、1000Ω。如型號為PT1000 的鉑電阻，它是標稱電阻為1000Ω 的正溫度系數鉑電阻。本設計為了提高溫度測量的精度，采用阻值大的PT1000，它的溫度特性曲線幾乎為一條直線，具有很好的線性。利用鉑電阻進行溫度測量時，只需要對其電阻值進行測量，再根據它的阻值-溫度對應表就可以通過查表的方式得到具體的溫度。因此，溫度的測量就轉化成電阻值的測量了[1,2]。

進行鉑電阻的阻值測量可讓1mA 的恒流源為其供電。當電流流過電阻時就會在它的兩端產生電壓，再通過測量鉑電阻的電壓值，根據歐姆定律就可以計算出鉑電阻的電阻值。設定恒流源的輸出電流為1mA，當鉑電阻的電阻值跟隨溫度發(fā)生變化時，由于恒流源的電流恒定不變，鉑電阻兩端的電壓也會跟隨電阻同比例變化。由于PT1000 的標稱電阻為1000Ω，而恒流源的電流為1mA，在溫度為0℃時鉑電阻兩端的電壓為1V。

2 溫度測量電路基本結構

根據圖2 的測量模型，溫度測量電路通過恒流源，將電阻的變化轉化成電壓的變化后，在電路中設計模數轉換電路，將模擬電壓轉換成數字信號后送入單片機中，通過單片機的計算就可以轉換成溫度值，電路的結構框圖如圖1 所示[3]。

鉑電阻轉換后的電壓信號經信號調理電路處理后，再送入模數轉換電路，單片機獲得鉑電阻的電壓值后，通過計算獲得當前溫度下的電阻值，再通過查表的方式測量出溫度值。電路中數碼管的作用是溫度值的顯示，電源電路為電路各部分提供所需的電壓。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 溫度數字信號相關電路設計

本部分電路包括圖3 所示電路中的恒流源、信號調理、模數轉換電路，具體的電路如圖2 所示。

如圖2 所示，本設計中恒流源的輸出電流只需要1mA，采用精密穩(wěn)壓器CJ431 實現(xiàn)恒流源，電路的輸出電流約等于1mA，CJ431 的電壓恒定在2.495V，忽略電阻的溫漂，輸出電流就可以恒定，達到恒流的效果。電路中電位器Rw2 的作用是調試時調節(jié)輸出電流，使其大小在1mA。

圖2 溫度數字信號相關電路Fig.2 Temperature digital signal related circuit

信號調理電路的作用是利用差分輸入的方式將鉑電阻兩端的點位轉換成電壓輸出，并對模數轉換電路的輸入進行隔離。圖3 中集成運放U7A 構成差分輸入的減法運算電路，同相端和反相端分別連接鉑電阻的兩端，差分輸入的方式既能提高共模抑制比，高輸入阻抗又能避免后級放大電路對恒流源的影響，放大器引入負反饋能提高電路的穩(wěn)定性。集成運放U7B 構成電壓跟隨器，其高輸入阻抗和低輸出阻抗，能實現(xiàn)隔離和緩沖的作用。

由于帶測量的溫度變化速率較慢，因而可以選用轉換速率較低的A/D（模數轉換器）器件，既能夠降低成本，又提高了電路的穩(wěn)定性。為提高溫度測量值的精度，選用分辨率較高的16 位A/D，綜合考慮以上性能要求后，本設計選用ADI 公司的AD7981。AD7981 是一款16 位的SPI 總線接口低功耗模數轉換器，具有功耗低、外圍電路簡單的特點。本設計中模擬電壓采用單極性輸入的方式，因此A/D 器件的差分輸入反相端接地，帶轉換信號從同相端輸入。A/D 器件的參考電壓與電源電路的模數參考電壓電路相連，本電路的參考電壓為5V。

本設計A/D 轉換電路根據輸入模擬電壓的范圍，參考電壓采用5V，通過CJ431 精密穩(wěn)壓器獲得5V 的精密基準電壓。

3.2 單片機及數碼管顯示電路設計

圖3 單片機及數碼管顯示電路Fig.3 SCM and digital tube display circuit

本設計中單片機主要完成數碼管顯示驅動、A/D 轉換控制功能，而A/D 轉換器件采用的SPI 總線與單片機相連，設計中對單片機I/O 資源需求較小，且顯示和A/D 控制對控制器的要求較低，本項目選用成本較低、性能穩(wěn)定的AVR 單片機。數碼管顯示電路的作用是完成溫度值的顯示，本設計采用顯示亮度高、性能穩(wěn)定的數碼管作為顯示器件。顯示電路采用動態(tài)掃描的方式，具體電路如圖3 所示。

如圖4 所示，顯示電路中數碼管的字形碼端與單片機的PD 端口相連，數碼管采用共陽型在單片機PC 端口的控制下，由PNP 型三極管采用低電平的方式驅動。單片機的時鐘采用外接晶振的方式，具有穩(wěn)定、精確的特點。數碼管顯示電路由單片機的PC 和PD 端口控制，A/D 轉換電路由單片機自帶的SPI 接口控制，可以降低程序編寫的難度。

3.3 電源電路設計

本設計中電源電路的種類較多，分別有5V、2.5V、±12V。單片機采用5V 供電，通過外接交流變壓器，通過整流、濾波后，采用三端穩(wěn)壓器LM1117-5.0 實現(xiàn)5V 的穩(wěn)壓，由其給單片機和其他電路供電。A/D 轉換電路的數字部分采用2.5V 供電，本設計將5V 通過，三端穩(wěn)壓器LM1117-2.5 實現(xiàn)2.5V 的穩(wěn)壓，具體的電路如圖4 所示。

本設計集成運放采用±12V 的雙電源供電，通過外接交流變壓器降壓、整流、濾波，三端穩(wěn)壓器MC7812、MC7912 穩(wěn)壓的方式實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)軟件設計

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flowchart

本設計中單片機的控制主要有A/D 轉換、數碼管顯示，對A/D 的控制通過單片機的SPI 總線實現(xiàn)，具體的控制流程如圖5 所示。

5 結論

本論文設計的基于鉑電阻的溫度測量電路，通過鉑電阻的線性溫度特性來感知溫度，通過恒流源為鉑電阻供電，將電阻值的變化轉換為電壓的變化，再通過A/D 器將模擬電壓轉換為數字信號，從而測量出相應的溫度。由于PT1000 阻值范圍較大，配合高分辨率的A/D 器件，使得本設計的溫度測量電路具有精度高、測溫范圍高的特點。