PT100铂热电阻温度测量系统的设计

2009-07-10 23:41:52来源: 中电网

      无论在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面,温度测量和控制都是极为重要的课题。温度测量系统在单片机系统设计中应用广泛,根据单片机系统设计要求的不同,温度测量系统的设计也有所不同,有采用集成芯片的,也有采用恒流源器件和恒压源器件的。本系统选用PT100铂热电阻作为温度信号采集元件,来进行温度测量系统设计。

1 基本工作原理

      PT100铂热电阻的阻值随着温度的变化而变化,利用这一特点来采集温度信号,将采集到的信号转换成电压信号;再经过A/D转换成数字信号并由单片机系统读取;单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理,并换算成与温度对应的数字信号,最后再由液晶显示器显示输出温度值。

2 硬件设计

      硬件组成主要包括恒流源电路、电压放大、A/D转换接口电路、光耦隔离电路、液晶显示电路5个组成部分。

2.1 恒流源电路

      恒流源电路如图1所示。其中芯片OP07为运算放大器,它和5个电阻组成恒流源电路,在VIN+处输出1 mA的工作电流。图中DGND=5 V,VMC=0 V,有4个节点分别是NET1,NET2,NET3,NET4。设流过R110的电流为Ia,流过R114的电流为Ib,单位为mA,方向都向右。

则根据运放的虚断和虚短,则有方程:

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

代入数据,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即为所求电流I,为1 mA。

根据方程,可知要得到Ia+Ib为常数,必须满足:

R113×R111/R112-R110=R114

所以,这个电路成为恒流源的条件是:

R111/R112=(R110+R114)/R113

如果R111=R112则必须R110+R114=R113,此时,恒流值为I=DGND×R113/R112/R114。

其中J110用于连接PT100铂热电阻。

2.2 电压放大及A/D转换接口电路

      PT100铂热电阻一端输出的电压很小,如果直接与A/D转换器相连接,则转换数据偏差较大;所以本设计中将PT100铂热电阻一端输出的电压放大10倍后与电压跟随器相连接,再进行A/D转换,这样就能得到较好的转换效果,如图2所示。精密放大器INA118和电压基准芯片MC1403组成放大电路,VIN+为PT100铂热电阻一端输出的电压值;WIN-为基准电压源MC1403输出的电压值;VOUT为放大后的输出电压值。计算公式为:VOUT=G×((VIN+)-(VIN-)),其中G的大小由电阻R120来决定,G=1+50 kΩ/R120。芯片OPA277与外围电阻组成电压跟随器。

      选用双积分型3(1/2)位的MC14433芯片A/D转换器(相当于11位二进制数),MC14433采用动态扫描BCD码输出方式,即千、百、十、个位BCD码轮流地在Q0~Q4端输出,同时在DS1~DS4端出现同步字位选通信号。如图3所示。

      MC1403集成精密+2.5 V电压源经电位器分压后作为A/D转换的基准电压。MC14433的DU端与EOC端相连,以选择连续转换方式,每次转换结果都送至输出寄存器。EOC是A/D转换结束的输出标志信号。单片机在读取A/D转换结果时,可以采用中断方式或查询方式。为使单片机能忙于其他任务,本设计系统采用中断方式。DU端与EOC相连后经光耦连至单片机的INT1端。

      在MC14433上电后,即对外部模拟输入电压信号进行A/D转换,由于EOC与DU端相连,每次转换完毕都有相应的BCD码及相应的选通信号出现在Q0~Q4和DS1~DS4上。当单片机开放中断,允许INT1中断申请,并置外部中断为边沿触发方式,在执行中断程序后,每次A/D转换结束时,都将把A/D转换结果送入片内RAM中。

      电压信号经过MC14433A/D转换后,再经光耦隔离电路传送给单片机,单片机处理后由液晶显示器输出温度值。

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关键字:PT100铂热电阻  温度测量系统  设计

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2009/0710/article_689.html
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