PT100温度显示仪表课程设计

一、温度显示仪表系统概述

1）课题要求：

 PT100做一个温度显示仪表，温度范围-20度到600度 ，精度0.1度

2）系统初步设计分析

温度影响PT100的电阻，也就意味着，只要测出PT100的电阻，就能测出温度，而电阻可以由设计的电路测电压或者电流计算出来，然后再将电压或者电流的模拟信号被系统采样量化转化为数字信号，再由系统进行换算，其中因为PT100的工作电流不能太大1mA左右，相应电压信号会比较微弱，所以需要放大信号，以便于后面AD采样。

而这个课程设计是温度显示仪表系统，所以系统主要分成三个部分，

1)是数据采集，也就是PT00的电路选择，信号的放大和AD转换。PT100的采样有两种，电阻接法有三中；为了防止非线性误差，有经过两级放大的，AD采样需要考虑采样倍数

2)是数据处理，将采集到的数据还原成温度，主要涉及两方面，一是滤波处理，二是转换为温度

3)数据输出也就是显示部分，在显示管上显示相应的数据

其中，数据采集部分应当是重点，因为它影响了整个系统的准确度，要克服电路本身被外界环境的影响，而数据处理应当注意数据的换算，显示部分相对比较简单。

 

3)关于PT100系统的一些简单数值估计

PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，如上图所示，看起来非常接近于直线。因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)   

其中α=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为华氏温度。

但是对于此次课程设计，这个精度显然不够。又找到了以下关系表达式子。

其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～650℃范围内：

Rt =R0 (1+At+Bt2)

在-200～0℃范围内：

Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)

式中A、B、C 为常数，

A=3.96847×10-3；

B=-5.847×10-7；

C=-4.22×10-12；

所以这次课程设计的最高电阻值约为

RH=R0 (1+At+Bt2)

  =100（1+3.96847×10-3*600+-5.847×10-7*600*600） 

     ≈314.059Ω

最低电阻值约为

          RL=R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)

                =100（1+3.96847×10-3*-20+-5.847×10-7*-20*-20+-4.22×10-12）

  ≈92.16Ω

约跨度RH -RL=222Ω

其中跨温度620 ℃，采样精度0.1也就意味着差不多6200个采样点,每个采样点平均分摊0.0358Ω的电阻。

通过查阅PT100的使用说明得知，PT100的工作电流理应不超过1mA,所以两端电压值的变化量需要被检测出来的最大分辨率应该是

1mA*0.0358Ω=0.0358mV

PT100两端的电压值的取值范围大概为0.092V~0.314V

6200个采样点需要13位二进制来表示，所以AD转换器需要分辨率13位以上，一般取16位AD转换芯片就好了。比如ADS7825，满量程10V，那么LSB差不多应该是

10/26= 0.15625V=0.1525mA 

所以放大电路的放大倍数起码是5倍以上。

至于采样速度，应该更多地取决于AD转换器，查资料可知，ADS7825采样及转换时间:25 μs ，ADS7825自带了时钟，也可以外置时钟，应该如果外接时钟的话，可以改变采样速度。但是如果考虑到滤波需要多采样几次的话，那么采样速度要变成原来的1/N倍，即速度变慢，N为一次测温的采样点数。

二、系统构成 

1）PT100的电路选择

常用的采样电路有两种：一是让恒流源通过Pt100 热电阻，通过检测Pt100 上电压的变化来换算出温度。二是采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。

常用的 Pt 电阻接法有三线制和两线制还有四线制，其中三线制接法的优点是将 PT100 的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。其实也有四线的，四线接法较为复杂，精度也更高，但是这里并不需要，三线制可以消除导线电阻。

所以最终选择三线制接法桥式测温电路，即选择惠斯顿电桥，三线制接法，如下图所示。至于具体三线制的优点见附录。

2）采样信号的滤波

由于外界干扰或某些不可预知的因素，比如电路干扰或者外界噪声，模拟量在受到干扰后，经 A/D 转换后的结果偏离了真实值，可能会出现一些随机的误差，如果只采样一次，无法确定结果是否可信。

滤波电路或由运放和 R、C 组成的有源滤波器。而数字滤波则是采用软件算法实现滤波的。

为了减少干扰，所以我们在采集了信号之后，肯定要在最后转化为温度之前，因为数字滤波的处理比模拟滤波实现起来方便，但是缺点是耗费更多地计算时间。数字滤波的前提是对同一数据进行多次采样，一般有以下几种方法： 

1.中值滤波：一般采样 5、7 次，排序后取中间值。 

2.算术平均滤波：一般采样 8 次，求平均值。 

3.去极值平均滤波：去掉最大最小值后求平均值一般采样 10、12次。 

4.加权平均滤波：各加权系数之和为 1。 

5.滑动平均滤波：本次采样值和前 n次采样值求平均。 

数据滤波方法选用要视现场环境和被测对象而定，在本系统中采用的是去极值均值滤波，因为算术平均滤波不能将明显的脉冲干扰或粗大误差消除，只能将其影响削弱效果应该没有去极值均值滤波的好。 

以去极值平均滤波为例，算法原理如下：对于温度信号对应的电压采样值，连续采样 n次，将其累加求和，同时找出其中最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按n-2 个采样值求平均，即有效采样值。

3）PT100的线性化处理

如表所示，对于原来的模型，虽然很拟合线性，但是距离0.1的误差还是有一定距离，想要获得精确的数据，最容易想到的，一个是存储温度，电阻对应的表，一个是建立精确的数学模型。但是6200个采样点一一对应，根本需要很大的存储空间，所以是一个不现实的问题，单纯拟合的数学模型也会非常复杂。

所以这里大多数时候，大家采取折中的方案，即存相隔一定距离存一部分的表格，然后中间的数据采取插值或者最小二乘法拟合，这样一来就能达到精度要求，公式不会很复杂，也不需要占用很多存储表格的空间。

PT100的温度分度表是能够找到的，见附录。

假设从-20℃到600℃每五个温度值选一个标记点，那么就一共有125个标记点，在单片机的ROM里面存储着125个点的电阻和温度对应值。

采用线性插值算法进行标度变换时，将检测值Rx通过顺序查表，与标定点 R[i]比较，确定区间R[i] <Rx<R [i+1]，然后进行线性插值算法求得温度值Tx。

例：现经A/D采样和滤波得Pt100的电阻值为Rx=112.68Ω，求此时实测对象的温度 Tx。 

已知查表得 R[46]<Rx<R[47],  R[46]＝111.67Ω，R[47]＝113.61Ω, 

  T[46]=30℃,  

Tx=T[46]+5*(Rx-R[46])/(R[47]-R[46])=32.06℃

所以此时温度为32.06

4）AD采样电路

这个芯片支持串行并行数据的输出，不能输出在BUSY脚输出为高电平之前, R/ C必须置为高电平, 否则会导致数据尚未读完,新的转换就已开始,从而使数据丢失。其中2,3,4,5个接口是模拟电路的输入接口。AIN 0～AIN 3 : 4 个模拟通道 , 可接受 -1 0. 0～10. 0V 的模拟输入电压 ;

B YTE :并行数据输出选择位,仅在数据作并行

输出时使用。B YTE = 1 时 , 输出低 8 位 D0～D7 ,

B YTE = 0时 ,输出高 8位 D0～D7 

三、电路原理图 

PT100以及放大电路

显示电路  

本设计采用6个LED共阳极数码通过三极管驱动来进行时间温度数据的显示。其中数码管的段码位分别接单片机的P0口，公共端通过三极管接到单片机P2.0～P2.5端对数码管进行位选。其电路图如下图所示。

  

四、软件框图完整流程图

 主程序负责调用初始化子程序，打开中断以及等待定时和串口中断程序的发生

定时中断程序负责调用采样，串口发送子程序

AD采样子程序主要用来控制ADS7825子程序

滤波子程序流程图

显示模块

五、总结

这次的课程设计，查阅了很多的资料，也看了一些论文之类的，静下心来稍微能理出一点头绪，但是总归是建立在理论的基础上，很多东西不涉及到硬件配置就仅仅是猜测，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，也就是这个道理吧。

数据采集与分析，以前更重视模拟电路的开发，现在很多模拟电路的东西被替代，特别是滤波一块的内容，很多时候数字滤波也能达到很好地效果。

另外，对于精度要求比较高的东西，实践和理论也是有一点差别的，因为如果只是

这门课本来就是实践性很强的课，所以很多理论听听也是听听，真的在做东西的时候，可能感触会更加深刻一点吧。

附录1：简单的电阻到电压的转换

图1的电路是一种简单的电阻到电压的转换形式，电压源激励（VCC=5V），R1是串联分压电阻，R2和R3分别PT100的引线电阻，RD是PT100。我们先不考虑引线电阻R2和R3，在0℃时Rd=100Ω，VF=2.5V；在300℃时，Rd=212Ω，则VF=3.397V，整个电压测量范围为2.5V—3.397V，而AD的量程为0-5V，待测信号的电平测量范围仅为AD量程的1/5，无法充分利用AD。

如果考虑引线电阻R2和R3，则VF不再是PT100电阻R1的分压值了，还应该包括引线电阻，引线电阻给系统设计带来了误差。

由此可见，充分利用用AD的量程，消除引线误差是PT100测温电路设计的要点。

                                       图1

2、两线制PT100电压源激励桥式电路

图2是两线制PT100桥式测温电路，如果测温距离较短，可以不考虑引线电阻的影响，则在0℃时，VF1=VF2=0.238V，ΔVF= 0V，在300℃时，VF2不变，VF1=0.479V，ΔVF= 0.241V。在传感器的后端电路中，只需要通过减法电路，得到VF1和VF2的差值，再做适当的放大，就可以满足AD的大部分量程，且电压采样值可以从零起调。

如果是长距离测温，不能忽略引线电阻的影响，则两线制电压源激励桥式电路仍然不能满足系统的需要。

                                图3

3、三线制PT100恒流源激励桥式电路

图4是三线制电流源激励桥式电路。三线制PT100中，电阻一端是一根连线，另外一端接2根连线，三根线的电阻值相等。在桥式电路中引入了恒流源激励。

       图4中，VF1=（Rt1+Rt2+Rt）*IS1，VF2=(Rt2+Rt3+Rd)*IS2，IS1=IS2=1mA，Rt1=Rt2=Rt3，所以，ΔVF=（Rt-Rd）*IS1，其中Rd和IS是固定的值，可见差分电压只与PT100的电阻值有关，三线制电流源激励的方式，可以完全消除引线电阻带来的影响。在本设计中要求远距离测温，在传感器的前端电路设计中，采用三线制PT100恒流源激励桥式电路。

附录2：温度特性表

-20

-10

0

92.16

96.09

100.00

91.77

95.69

99.61

91.37

95.30

99.22

90.98

94.91

98.83

90.59

94.52

98.44

90.19

94.12

98.04

89.80

93.73

97.65

89.40

93.34

97.26

89.01

92.95

96.87

88.62

92.55

96.48

0

10

20

30

40

100.00

103.90

107.79

111.67

115.54

100.39

104.29

108.18

112.06

115.93

100.78

104.68

108.57

112.45

116.31

101.17

105.07

108.96

112.83

116.70

101.56

105.46

109.35

113.22

117.08

101.95

105.85

109.73

113.61

117.47

102.34

106.24

110.12

114.00

117.86

102.73

106.63

110.51

114.38

118.24

103.12

107.02

110.90

114.77

118.63

103.51

107.40

111.29

115.15

119.01

50

60

70

80

90

119.40

123.24

127.08

130.90

134.71

119.78

123.63

127.46

131.28

135.09

120.17

124.01

127.84

131.66

135.47

120.55

124.39

128.22

132.04

135.85

120.94

124.78

128.61

132.42

136.23

121.32

125.16

128.99

132.80

136.61

121.71

125.54

129.37

133.18

136.99

122.09

125.93

129.75

133.57

137.37

122.47

126.31

130.13

133.95

137.75

122.86

126.69

130.52

134.33

138.13

100

110

120

130

140

138.51

142.29

146.07

149.83

153.58

138.88

142.67

146.44

150.21

153.96

139.26

143.05

146.82

150.58

154.33

139.64

143.43

147.20

150.96

154.71

140.02

143.80

147.57

151.33

155.08

140.40

144.18

147.95

151.71

155.46

140.78

144.56

148.33

152.08

155.83

141.16

144.94

148.70

152.46

156.20

141.54

145.31

149.08

152.83

156.58

141.91

145.69

149.46

153.21

156.95

150

160

170

180

190

157.33

161.05

164.77

168.48

172.17

157.70

161.43

165.14

168.85

172.54

158.07

161.80

165.51

169.22

172.91

158.45

162.17

165.89

169.59

173.28

158.82

162.54

166.26

169.96

173.65

159.19

162.91

166.63

170.33

174.02

159.56

163.29

167.00

170.70

174.38

159.94

163.66

167.37

171.07

174.75

160.31

164.03

167.74

171.43

175.12

160.68

164.40

168.11

171.80

175.49

200

175.86

176.22

176.59

176.96

177.33

177.69

178.06

178.43

178.79

179.16