基于PT100的溫度測量系統設計

唐 軍，羅德雄，杜秀君（宜賓職業技術學院電子信息與控制工程系，四川宜賓，644000）

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基于PT100的溫度測量系統設計

唐 軍，羅德雄，杜秀君
（宜賓職業技術學院電子信息與控制工程系，四川宜賓，644000）

摘要：超聲電源設計中，換能器管道溫度是電源控制的重要參數之一，本設計利用精確度度極高的電阻溫度檢測器PT100作為溫度傳感器，利用OP27和可調節精密并聯穩壓器TL431設計了恒流源電路，并將PT100上接入恒流源電路中，利用后級的差分放大電路對PT100上的溫度-電壓信號進行放大，再利用高性能模數轉換器ADS1110進行AD轉換，轉換后的數據送入單片機進行查表比對，得到了精確的溫度信息。通過實驗證明，本系統測量溫度準確，具有高可靠性和高精度的特點。

關鍵詞：溫度測量；傳感器；電源

課題：宜賓市重點科技計劃項目+宜賓市科技局+新型大功率超聲電源研制+2013GY011

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度的測量是當今工業中一個基礎性課題，在很多工業場合，都需要完成溫度的測量。在超聲電源中，換能器管道溫度是電源控制的參數之一，在管道的溫度測量中，溫度傳感器的選擇尤為關鍵。溫度傳感器可以分為四類：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器。這四種傳感器都有各自的優缺點。在本設計中，我們選擇精確度度極高的電阻溫度檢測器PT100進行設計。

1 PT100溫度傳感器工作原理

本次采用PT100作為溫度傳感器，PT100在0°C時的標準電阻值，在100°C時的標準電阻值，溫度系數TCR=0.003851。隨著溫度的改變，PT100的電阻也發生改變，并遵循以下公式：

依據此公式，對PT100的溫度和電阻值的關系進行計算，在整個PT100的的測量范圍內（），溫度上升則PT100的電阻值也會上升，溫度最低點-200°C對應的電阻值下降到19.524Ω，而在溫度最高點850°C，PT100的阻值則上升到了390.4811Ω。

2 系統設計

本文基于PT100設計了一種溫度測量系統，首先采用OP27和可調節精密并聯穩壓器TL431構成恒流源設計，并將PT100接入到此電路中，由于PT100的電阻值隨溫度變化而變化，因此，溫度值就被轉化成了電壓量。得到了PT100的電壓值之后，利用OP27構成差分放大電路，對此電壓進行放大，并送入ADC中進行模數轉換，轉換的值經過單片機進行查表，得到具體的溫度值，然后將此數據送入LCD1602進行顯示。

系統的設計框圖如下圖所示：

圖1 系統設計圖

在系統中，恒流源與差分放大電路用到的運放均選擇OP27，ADC選擇ADS1110，單片機選擇STC89C52單片機，液晶顯示選擇LCD1602。

3 硬件設計

本文基于PT100的溫度測量系統，硬件設計方面難點主要在恒流源設計、差分放大電路設計，圖2為本文利用OP27、TL431 和PT100完成的溫度-電壓轉換系統的硬件設計圖。

3.1 恒流源電路設計

本文選用OP27和可調節精密并聯穩壓器TL431完成恒流源設計。OP27精密運算放大器兼有OP27的低失調電壓和漂移特性與高速、低噪聲特性。失調電壓低至25 μV，最大漂移為0.6 μV/°C，因而該器件是精密儀器儀表應用的理想之選。極低噪聲（10 Hz時en=3.5nV/√Hz）， 低1/f噪聲轉折頻率（2.7Hz）以及高增益（180萬），能夠使低電平信號得到精確的高增

本設計中，為了保持測量數據的精度，采用了調零設計。

本設計中，TL431內部具有2.5V的參考電壓，令滑動變阻器R17的電阻比為n（），則依據TL431的手冊可知，送入OP27同相端的電壓為：

式中，VR為芯片內部的基準電壓。

由上式可知，當調節滑動變阻器R17的電阻比n的時候，運放同相端得到的輸出電壓也將隨之改變，又由于R11上接的電壓為5V，故調節滑動變阻器R17的電阻n，能得到的運放電壓同相端輸入電壓的范圍為2.5V到5V，實際使用中，我們約調節到3.5V的輸出使用。

隨著PT100的溫度發生改變，其電阻值也隨之改變，在恒流源電路作用下，表現為PT100上的電壓將發生改變。因此在后級電路，設計了一個差分放大電路去放大該信號。

圖2 恒流源與差分放大電路設計

3.2 差分放大電路設計

在恒流源電路中，我們已經利用設計的恒流源電路將PT100的電阻值變化，反應到電壓信號上，但若流過PT100的電流過高，則將導致PT100自身的熱效應也要影響到系統，故需對流過PT100的電流值進行限制，因此實際使用中，我們通過調節R17，將此電流限制在1mA。

經過此差分運放放大電路，PT100的電壓值被放大了6倍。

4 軟件設計

在軟件設計部分，完成系統初始化后，主要是對ADS1110進行驅動設計。

ADS1110 是精密的連續自校準模/數A/D轉換器帶有差分輸入和高達16位的分辨率封裝為小型SOT23-6片內2.048V的基準電壓提供范圍為2.048V的輸入差分電壓，ADS1110 使用可兼容的串行接口在2.7V至5.5V的單電源下工作。本設計中，設計ADS1110的供電電壓為5V，編寫驅動，取得ADC的采樣值后，查表，與預存在STC89C52中的數據進行對比，就得到了溫度值。

5 系統調試

設計完成后，我們對該設計進行開板制作，測試過程中，我們用標準水銀溫度計和PT100測溫系統進行了對比，對比結果驗證了我們設計的正確性。

圖3 溫度測量系統實物圖

參考文獻

［1］ 戴佳，戴衛恒，劉博文.單片機C語言應用程序設計［M］. 北京：電子工業出版社， 2008，12

［2］ 張修太，胡雪惠，翟亞芳等.基于PT100的高精度溫度采集系統設計與實驗研究，傳感器技術學報，2010.06

［3］ 楊建國. 你好，放大器［M］.科學出版社，2015.9

Based PT100 temperature measurement system design

Tang Jun，Luo Dexiong，Du Xiujun
（Department of Electronic Information and Control Engineering，Yibin Vocational and Technical College Sichuan Yibin 64400）

Abstract：In design of ultrasonic power supply，the temperature of transducer pipe is one of the important parameters of power control.In this paper，we designed a device for measuring temperature.Firstly，a temperature sensor with high accuracy of resistance temperature detector PT100 is used，and the constant current source circuit is designed by using the OP27 and the adjustable precision shunt regulator TL431. Secondly，the PT100 is connected to the constant current source circuit， and the differential amplifier circuit is used to amplify the temperature voltage signal on the PT100. Thirdly，high performance analog to digital converter ADS1110 is used for AD conversion.Finally，the accurate temperature information is obtained while the data of conversion into the single chip microcomputer is check with table. The experimental results show that the system has high reliability and accuracy.

Keywords：Temperature measurement；sensor；power supply

作者簡介

唐軍（1981.11），男 漢族 四川雅安人 宜賓職業技術學院電子信息與控制工程系 理學碩士，講師，從事光子晶體、超聲電源研究