基于鉑熱電阻的溫度檢測及報(bào)警電路設(shè)計(jì)

張粉祝 楊曉燕 蔡武德

摘?要：以AT89S51 單片機(jī)為控制核心、PT100 鉑熱電阻為溫度信號(hào)采集元件、LCD1602液晶顯示器為顯示器件和ADC0832為A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度檢測范圍在0～600℃間可調(diào)整、報(bào)警溫度上下限可任意預(yù)設(shè)的溫度檢測報(bào)警電路。

關(guān)鍵詞：溫度檢測;報(bào)警電路;單片機(jī);模數(shù)轉(zhuǎn)換

1 緒論

溫度是國際單位制七個(gè)基本的物理量之一，溫度測量在工業(yè)和科學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用。[1]本文利用單片機(jī)作為主控芯片，PT100作為溫度傳感器，ADC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度檢報(bào)警電路。[2]使用者可根據(jù)需要，對(duì)身邊不同環(huán)境溫度進(jìn)行測量，也可以設(shè)置溫度報(bào)警上下限值，實(shí)現(xiàn)溫度超限智能報(bào)警。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖及電路原理

系統(tǒng)框圖如圖1所示，單片機(jī)為控制核心，包括溫度信號(hào)的采集與放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路和報(bào)警電路等。

硬件電路如圖2所示，①R13、R14、PT100和R15組成橋式電路，用于采集溫度信號(hào);②差動(dòng)集成運(yùn)放μA741與外圍電路元件組成放大電路，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行放大;③放大后的溫度信號(hào)再經(jīng)ADC0832進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，成為數(shù)字量送入單片機(jī);④當(dāng)單片機(jī)檢測到溫度高出或低于預(yù)先設(shè)置報(bào)警溫度上下限值時(shí)，單片機(jī)將執(zhí)行報(bào)警程序，實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)報(bào)警（在本設(shè)計(jì)中，P3口的第6腳和第7腳輸出高電平，此時(shí)Q1導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，Q2導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)裝置做出處置反應(yīng)）。

2.2溫度信號(hào)的采集與放大電路設(shè)計(jì)

為減小PT100連接導(dǎo)線的電阻對(duì)測溫影響，電阻R13和R15的電阻值遠(yuǎn)大于熱電阻PT100和R14的電阻值。因而連接導(dǎo)線的電阻可以忽略不計(jì)，這樣可以獲得近似恒流法的線性輸出電壓U?i1?和U?i2。顯然U?i2?與鉑熱電阻PT100存在線性關(guān)系，PT100與溫度存在線性關(guān)系，所以U?i2?也將與溫度T存在線性關(guān)系，由集成運(yùn)放的特性可知：Uo=AuU?i2??Ui1?（1）

Au為運(yùn)算放大電路的電壓放大倍數(shù)。可見U?0?與U?i2?存在線性關(guān)系（U?i1?值基本保持不變），所以其與溫度也將存在線性關(guān)系，其經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，成為含溫度信息的數(shù)字量。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及溫度的計(jì)算公式

ADC0832有8位分辨率，逐次逼近型，基準(zhǔn)電壓為5V，輸入模擬信號(hào)電壓范圍為0～5V。當(dāng)輸入電壓?Uo?=0時(shí)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量D=0x00;而當(dāng)?Uo?=5時(shí)，轉(zhuǎn)換后的值D=0xFF，即十進(jìn)制數(shù)255。所以轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量D與輸入的模擬電壓存在如下關(guān)系：D=2555·Uo=51·U0（2）

實(shí)驗(yàn)擬合可得：0～100℃時(shí)，數(shù)字量D與溫度t的關(guān)系，如式（3）所示：t=20D+110D51（3）

同理可得：0～600℃時(shí)，數(shù)字量D與溫度t的關(guān)系，如式（4）所示：t=123D+D551-5（4）

3 程序設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，主程序流程如圖3所示;ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程如圖4所示;LCD1602液晶顯示程序流程如圖5所示。

4 測試結(jié)果

報(bào)警預(yù)設(shè)低于10℃報(bào)警和高于50℃報(bào)警，圖6中顯示溫度為24.5℃，此時(shí)蜂鳴器未發(fā)出警報(bào)聲。用鉑熱電阻加溫度，圖7顯示溫度為55.8℃，大于50℃預(yù)設(shè)值，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出連續(xù)不斷的報(bào)警聲。

經(jīng)測試，該電路已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以將該電路中的PT100鉑熱電阻放置到不同的環(huán)境中進(jìn)行溫度測量，也可以根據(jù)需要，設(shè)置溫度報(bào)警上下限值，實(shí)現(xiàn)溫度超限智能報(bào)警。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖伯琴.高中物理課程結(jié)構(gòu)及其功能探索——從2003版到2017版高中物理課標(biāo)的變化[J].物理與工程，2018，28（03）：23?28.

[2]劉意，王午鑫.基于MSP430的三線制Pt100測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（03）：81?84.