PT100鉑熱電阻溫度測量系統的設計

　　摘要：無論在工業(yè)、農業(yè)、科學研究、國防和人們日常生活的各個方面，溫度測量和控制都是極為重要的課題。溫度測量系統在單片機系統設計中應用廣泛，根據單片機系統設計要求的不同，溫度測量系統的設計也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。本系統選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號采集元件，來進行溫度測量系統設計。
　　
　　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，利用這一特點來采集溫度信號，將采集到的信號轉換成電壓信號；再經過A／D轉換成數字信號并由單片機系統讀取；單片機系統把讀取到的數字信號進行識別處理，并換算成與溫度對應的數字信號，zui后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。
　　
　　2、硬件設計
　　
　　硬件組成主要包括恒流源電路、電壓放大、A／D轉換接口電路、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個組成部分。
　　
　　2.1 恒流源電路
　　
　　恒流源電路如圖1所示。其中芯片OP07為運算放大器，它和5個電阻組成恒流源電路，在VIN+處輸出1mA的工作電流。圖中DGND=5V，VMC=0V，有4個節(jié)點分別是NET1，NET2，NET3，NET4。設流過R110的電流為Ia，流過R114的電流為Ib，單位為mA，方向都向右。
　　
　　則根據運放的虛斷和虛短，則有方程：
　　
　　DGND-（R111+R110）×Ia+R114×Ib-R113×（（DGND-R111×Ia）／R112）-（VDGND-R111×Ia）=0
　　
　　代入數據，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1mA。
　　
　　根據方程，可知要得到Ia+Ib為常數，必須滿足：
　　
　　R113×R111／R112-R110=R114
　　
　　所以，這個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，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轉換器相連接，則轉換數據偏差較大；所以本設計中將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，再進行A／D轉換，這樣就能得到較好的轉換效果，如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準芯片MC1403組成放大電路，VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值；WIN-為基準電壓源MC1403輸出的電壓值；VOUT為放大后的輸出電壓值。計算公式為：VOUT=G×（（VIN+）-（VIN-）），其中G的大小由電阻R120來決定，G=1+50kΩ／R120。芯片OPA277與外圍電阻組成電壓跟隨器。　　
　　選用雙積分型3（1／2）位的MC14433芯片A／D轉換器（相當于11位二進制數），MC14433采用動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼輪流地在Q0～Q4端輸出，同時在DS1～DS4端出現同步字位選通信號。如圖3所示。　　
　　MC1403集成精密+2.5V電壓源經電位器分壓后作為A／D轉換的基準電壓。MC14433的DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)轉換方式，每次轉換結果都送至輸出寄存器。EOC是A／D轉換結束的輸出標志信號。單片機在讀取A／D轉換結果時，可以采用中斷方式或查詢方式。為使單片機能忙于其他任務，本設計系統采用中斷方式。DU端與EOC相連后經光耦連至單片機的INT1端。
　　
　　在MC14433上電后，即對外部模擬輸入電壓信號進行A／D轉換，由于EOC與DU端相連，每次轉換完畢都有相應的BCD碼及相應的選通信號出現在Q0～Q4和DS1～DS4上。當單片機開放中斷，允許INT1中斷申請，并置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，在執(zhí)行中斷程序后，每次A／D轉換結束時，都將把A／D轉換結果送入片內RAM中。
　　
　　電壓信號經過MC14433A／D轉換后，再經光耦隔離電路傳送給單片機，單片機處理后由液晶顯示器輸出溫度值。
　　
　　2.3 光耦隔離電路
　　
　　為使輸入信號準確無誤，在I／O口擴展芯片8255與A／D轉換部分采用光耦進行隔離。A／D轉換作為模擬量輸人部分，采用獨立模擬電源和模擬地。單片機及I／O口擴展芯片8255作為數字部分采用獨立數字電源和數字地，減少外部輸入對單片機的影響。Q0～Q4和DS1～DS4用2片TLP521-4進行隔離后連接至擴展芯片8255C口上，電路如圖4所示。　　
　　2.4 單片機控制與液晶顯示接口電路
　　
　　本設計選用的是128×64點陣的OCMJ4×8C中文液晶圖形顯示模塊。C系列中文模塊可以顯示字母、數字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，與傳統的圖形點陣液晶顯示模塊相比，單片機硬件接口電路以及軟件編程比較簡單，內置2Mb中文字型ROM（CGROM）總共提供8192個中文字型，可節(jié)省大量單片機設計的ROM空間，可更多地顯示漢字字符的數量，更加發(fā)揮了液晶顯示技術在單片機系統中的應用。OCMJ4×8C模塊非常適用于顯示漢字信息量較大的智能儀器儀表系統及家用電器。可采用8位并列接口傳輸訊號及串行接口與串行傳輸資料2種資料傳輸方式。本設計系統采用的是并列傳輸方式。單片機控制與液晶顯示接口電路如圖5所示（J91和J11用于連接液晶顯示器）。
　　
　　3、軟件設計及程序流程圖
　　
　　軟件設計主要分為主程序、INT0外部中斷子程序、液晶顯示子程序。主程序完成對中斷的初始化、等待外部中斷的查詢結果、調用顯示子程序。INT0外部子程序完成對溫度測量數據的讀取。顯示子程序完成液晶顯示器的初始化及顯示溫度值。程序流程圖如圖6所示。　　
　　在單片機讀取A／D轉換后的BCD碼時，為了避免讀取不正確數值，在軟件編程時采用對數據多次采樣的方法，即在一定的時間內，連續(xù)讀取BCD碼，全部為一樣的數值時才作為正確的數值接收，否則視為不正確數值而被忽略，這樣可以有效地保障在顯示器上輸出的溫度值連續(xù)變化，而不發(fā)生干擾性的跳動。由于PT100鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的，所以在軟件編程時進行了線性擬合，阻值（R）與溫度（T）的關系式為T=2.469R+27.2，其中電阻R的單位是Ω；T的單位是K。
　　
　　4 、結語
　　
　　在溫度測量系統設計中，PT100鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統不但可以檢測室內的氣體溫度，還可以檢測土壤、液體、種子等內的溫度，大大提高了溫度測量系統的適用范圍，且采用PT100鉑熱電阻為溫度采集元件，可有效地降低開發(fā)成本。而且在設計中所采用的MCl4433A／D轉換器，雖然轉換速度慢，但具有抗干擾性能好、轉換精度高，在不要求高速轉換的溫度控制系統中，則被廣泛采用。A／D轉換部分與單片機控制系統*采用光耦進行隔離，在降低干擾信號對單片機控制系統的影響方面起到重要的作用。另外在設計中所采用的OCMJ4×8C液晶顯示器，其與單片機硬件連接相當簡單，無需其他外圍器件，即節(jié)省了元件又使設計簡單化。本溫度測量系統電路設計簡單方便、實用性好、電路工作穩(wěn)定、可靠性高。