PT100温控设计

 

 

班级：        1302112姓名：         李 展学号：       130211238指导教师：         孙小伟

 

 

目录

一、设计要求… 2

二、方案确定… 2

2.1传感原件选型… 2

2.2测量原理… 2

三、方案建模与仿真… 3

3.1  PT1000温度曲线… 3

3.2  PT1000电阻与温度关系最小二乘拟合… 4

3.3 理论值计算… 5

四、电路设计… 5

4.1 电流源设计… 5

4.2 信号放大设计… 7

4.3 单片机最小系统及采样电路… 8

五、参考文献… 10

 

一、设计要求

设计一个温度传感检测模块，要求测量范围-40-150゜C，检测精度为0.1゜C，给出解决方案。

二、方案确定

 2.1传感原件选型

常用测温元件有热电阻和热电偶以及一些集成测温器件例如DS18B20。

 

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

 

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

 

经过查询资料可知热电偶测量精度在与要求精度0.1゜C相差过多，故这里选用热电阻PT1000。

      2.2测量原理

由于PT1000热电阻随温度变化电阻值发生变化，故将电阻变化转化为电压变化，经过信号调理送入单片机AD端口进行AD采样，经过单片机计算将结果显示在一块LCD液晶屏幕
上。流程图如下

三、方案建模与仿真

3.1  PT1000温度曲线

PT1000的温度变化规律由下公式给出

 

在-40-150゜C之间做图可得：

由图可见，PT1000的温度与电阻的关系线性度很好。对其求导可得以下图形

求导后发现，PT1000并不是严格的线性元件有一定的线性误差，故需要对温度与电阻的变化进行拟合，来使误差最小。

3.2  PT1000电阻与温度关系最小二乘拟合

由于PT1000的非线性特点，这里我们采用多项式进行最小二乘拟合，拟合公式为

带入Matlab后获得拟合参数为

拟合后的曲线为

残差的均值为0.0315方差为  0.0239说明拟合效果较好。

3.3 理论值计算

 

采用0.2ma电流驱动PT1000，则在-40-150゜C之间输出电压范围为0.1685-0.3485。考虑到采用3.3V采样的单片机，所以使用10倍放大。电压最大值为3.145091V,电压最小值为1.685413V。

放大后每0.1゜C对应的电压值为0.007678V，故采用16位ADC，对于3.3V的最大电压来说分辨率为0.000050V，对应的温度为0.065544゜C，故本次设计的分辨精度为゜C。

四、电路设计

4.1 电流源设计

这里利用同向放大器虚短和虚断特性

其中通过RL的电流,其中，所以只要调节Vref和Rp电阻值就可以获得一个可调的恒流输出。这里选取Vref=4V，Rp=40千欧姆 。

4.1.1  参考电压的生成

由于整个恒流电路都基于Vref的值，参考电压越稳定，输出电流就越稳定。这里选出LT公司的LT1763。LT1763是一款500ma，具有极低输出噪声的可调节LDO，输出噪声只有20uv，完全可以达到我们的需求。电路设计如下

通过调节R1电阻我们可以使电压输出为4V。

4.1.2 电流源设计

由于电流源基于运放，就要求运放输出有很低的噪声，同时有很高的共模抑制比和电源抑制比，并且应该有一定的短路输出电流，提高驱动能力。这里我们选用TI公司的OPA188，这是一款高精度，低噪声，零漂移的运算放大器。其噪声可以低到输出8.8nv，电源抑制比可达142dB，共模抑制比146dB，带宽2Mhz，远远可以达到本次设计要求。其电路如下

这里PT1000的一端作为电压输出，另一端作为后端电路的参考地，为了减小干扰将参考地一端与后端电路用0欧电阻隔开，形成单点接地。

4.2 信号放大设计

根据理论分析，后端电路需要10倍放大，这里把放大分为两级，第一级使用仪表放大器作为前端放大，放大五倍。后级放大2两倍，用于提高电路的输出的能力。

这里仪用放大器使用TI公司的INA188，这是一款专门为温度测量和医学测量而设计的放大器的芯片，宽温度范围从-55゜C-150゜C都可以达到很好的输出，并且有很高的共模抑制比。

后端电路同样采用OPA188，获得一个较大的输出能力

4.3 单片机最小系统及采样电路

由于要使用16位精度的ADC单片机，这里选用飞思卡尔公司的MK60作为主控芯片，K60是一款32位，可以提供最高可达150M时钟频率的的单片机，最高可以输出16位ADC。

4.3.1 单片机供电电路设计

由于采样电路是浮地不能直接从外部电路取电，故单独设计3.3V稳压电路来进行供电。这里采用TI公司的TPS7333，可以提供一个极低输出噪声的直流电源。同时为了将模拟地和数字地隔离这里采用一个0欧电阻进行单点接地
，电路如下图

4.3.2 最小系统设计

1、晶振设计

2、Jlink下载电路

 

3、复位电路

4、TTL串口发送电路

5、ADC供电电路

五、参考文献

[1]陈志文,王玮. 基于Pt100铂热电阻的温度变送器设计与实现[J]. 现代电子技术,2010,08:197-199.[2]张修太,胡雪惠,翟亚芳,秦长海,张继军. 基于PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究[J]. 传感技术学报,2010,06:812-815.[3]方益喜,雷开卓,屈健康,刘奎,乔子椋,杨海波. 基于PT1000的高精度温度测量系统[J]. 电子设计工程,2010,10:79-82.[4]朱杰,郭涛. 一种Pt100温度传感器的动态热响应模型[J]. 传感技术学报,2013,01:73-77.[5]田炳丽,胡超,丁风雷. 一种提高Pt1000铂电阻测温精度的新方法[J]. 机电工程,2013,05:603-605.[6]赵红梅,米启超. WZP型铂电阻温度传感器Pt1000信号的线性化处理[J]. 现代电子技术,2008,05:169-170.[7]才智,范长胜,杨冬霞. PT100铂热电阻温度测量系统的设计[J]. 现代电子技术,2008,20:172-174+177.