傳感器課程設(shè)計基于pt100溫度測量系統(tǒng)

1、1目錄目錄第一章 方案設(shè)計與論證.2第一節(jié) 傳感器的選擇 .2第二節(jié) 方案論證 .3第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理 .3第四節(jié) 系統(tǒng)框圖 .4第二章 硬件設(shè)計.4第一節(jié) pt100 傳感器特性和測溫原理.5第二節(jié) 信號調(diào)理電路 .6第三節(jié) 恒流源電路的設(shè)計 .6第四節(jié) tl431 簡介 .8第三章 軟件設(shè)計.9第一節(jié) 軟件的流程圖 .9第二節(jié) 部分設(shè)計模塊.10總結(jié).11參考文獻.112第一章 方案設(shè)計與論證第一節(jié) 傳感器的選擇溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達到測

2、溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如 pt100、pt1000 等。近年來各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如 dallas 公司 ds18b20，max

3、im 公司的max6576、max6577，adi 公司的 ad7416 等，這些芯片的顯著優(yōu)點是與單片機的接口簡單，如 ds18b20 該溫度傳感器為單總線技術(shù)，maxim 公司的 2種溫度傳感器一個為頻率輸出，一個為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而adi 公司的 ad7416 的數(shù)字接口則為近年也比較流行的 i2c 總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便，但這類器件的最大缺點是測溫的范圍太窄，一般只有-55+125，而且溫度的測量精度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的場合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具

4、有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測溫范圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。3非接觸式溫度傳感器主要是被測物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的高低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，既可測近距離小目標(biāo)的溫度，又可測遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運用受限的主要原因一是價格相對較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問題，而且其輸出受與被測量物體的距離、

5、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。由于本設(shè)計的任務(wù)是要求測量的范圍為 0100，測量的分辨率為0.1，綜合價格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對較好的 pt100 作為本課題的溫度傳感器，具體的型號為 wzp 型鉑電阻，該傳感器的測溫范圍從200650。具體在 0100的分度特性表見附錄 a 所示。第二節(jié) 方案論證溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差大。 方案二：采用溫度傳感器 通過溫

6、度傳感器采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到 a/d 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過 labview 顯示。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測量范圍為-200650，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量精確度是最高的，所以我們設(shè)計最終選擇鉑電阻 pt100 作為傳感器。該方案采用熱電阻 pt100 做為溫度傳感器、ad620 作為信號放大器，tlc2543 作為a/d 轉(zhuǎn)換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。相對與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。在這里我選用方案二完成本次設(shè)計。4第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理測溫的

7、模擬電路是把當(dāng)前 pt100 熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值，經(jīng)過放大器放大信號后送給虛擬儀器實驗室的 pci-6251 數(shù)據(jù)采集卡,再通過虛擬儀器把當(dāng)前的電壓值轉(zhuǎn)變成溫度第四節(jié) 系統(tǒng)框圖本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元，數(shù)據(jù)處理單元，時間、溫度顯示單元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路（采樣） 、放大電路。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖所示。熱敏電阻信號調(diào)理電路模擬輸入ni-elvis接口平臺pci-6251數(shù)據(jù)采集卡ai 0 模擬輸入pc電腦第二章 硬件設(shè)計第一節(jié) pt100 傳感器特性和測溫原理電阻式溫度傳感器(rtd, resistance tempe

8、rature detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會隨溫度的改變而改變電阻值。pt100 溫度傳感器是一種以鉑(pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),5其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0650范圍內(nèi)：rt =r0 (1+at+bt2)在-2000范圍內(nèi)：rt =r0 (1+at+bt2+c(t-100)t3)式中 a、b、c 為常數(shù)，a=3.9684710-3；b=-5.84710-7；c=-4.2210-12；由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：r=ro(1+t) 其中 =0.00392, ro 為 100(

9、在 0的電阻值),t 為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為 pt100。pt100 溫度傳感器的測量范圍廣：-200+650，偏差小，響應(yīng)時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計即采用 pt100 作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測溫范圍：-200650 攝氏度；2. 測溫精度：0.1 攝氏度；3. 穩(wěn)定性：0.1 攝氏度pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用 pt100 測量溫度一般有兩種方案：方案一

10、：設(shè)計一個恒流源通過 pt100 熱電阻，通過檢測 pt100 上電壓的變化來換算出溫度。方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用pt100 熱電阻，當(dāng) pt100 電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。兩種方案的區(qū)別只在于信號獲取電路的不同，其原理上基本一致。6第二節(jié) 信號調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來自于現(xiàn)場傳感器的信號變換成前向通道中 a/d 轉(zhuǎn)換器能識別的信號，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻 pt100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號變換成能被 a/d 轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號。第三節(jié) 恒流源電路恒流源電路 從上述關(guān)于 pt100

11、 傳感器測溫原理可知，由 pt100 構(gòu)成信號的獲取電路常用的方法有 2 種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問題，一般采用單臂橋；還有一種是運用恒流源電路，將恒流源通過溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的結(jié)構(gòu)形式見圖 2-1 所示。a 圖單臂橋式 b 圖恒流源式圖 2-1 兩種信號獲取的結(jié)構(gòu)電路硬件電路如圖所示7圖 2-2 硬件電路圖 第第四四節(jié)節(jié) tl431 主主要要參參數(shù)數(shù)簡簡介介tl431 是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013 等相同，如圖 a 所示。同類產(chǎn)品還有

12、圖b 所示的雙直插外形的。三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 可編程輸出電壓 :2.5v36v 電壓參考誤差： 0.4% ，典型值25（tl431b） 低動態(tài)輸出阻抗 :0.22(典型值) 等效全范圍溫度系數(shù)： 50 ppm/（典型值） 溫度補償操作全額定 工作溫度范圍 穩(wěn)壓值送從 2.5-36v 連續(xù)可調(diào)， 參考電壓原誤差 +-1.0%， 低動態(tài)輸出電阻， 典型值為 0.22 歐姆， 8輸出電流 1.0-100 毫安。 全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦， 典型值為 50ppm， 低輸出電壓噪聲。 封裝：to-92,pdip-8,micro-8，soic-8,sot-23 最大輸入電壓為 37v 最大工作電流 150

13、ma 內(nèi)基準(zhǔn)電壓為 2.5v 輸出電壓范圍為 2.536v 替換型號及應(yīng)用領(lǐng)域 :ztl431ah6ta ztl431ase5ta ztl431bh6ta ztl431bzta ztl431bcstz ztl431be5ta utctl431l ztl431bffta 應(yīng)用領(lǐng)域:： 電平值轉(zhuǎn)換 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 ctl431 的具體功能可以用圖 c 的功能模塊示意。由圖可以看到， vi 是一個內(nèi)部的2.5v 的基準(zhǔn)源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當(dāng)ref 端（同向端）的電壓非常接近 vi（2.5v）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著 ref 端電壓的微小變化，通過

14、三極管圖1 的電流將從 1 到 100ma 變化。當(dāng)然，該圖絕不是 tl431 的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但可用于分析理解電路。 9第三章軟件設(shè)計軟件設(shè)計部分在 labview 上完成，前面板如圖所示，對溫度進行實時采集圖 3-1 采集顯示前面板vi 子程序部分10圖 3-2 vi 程序結(jié) 論 本溫度測量系統(tǒng)設(shè)計，是采用 pt100 溫度傳感器經(jīng)過放大和 a/d 轉(zhuǎn)換器送到單片機進行控制溫度顯示和時間顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴展實現(xiàn)溫度報警功能，從而更好的實現(xiàn)溫度現(xiàn)場的實時控制。經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測量，本設(shè)計基本符合設(shè)計要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差，但通過調(diào)節(jié)和精確計算可以減小誤差。 通過本次溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，我對溫度測量控制有了進一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個設(shè)計的過程中，本設(shè)計的重點和難點是：怎樣將 pt100 熱電阻的非電量信號轉(zhuǎn)換為能識別的電量信號，其中的信號如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。11 這次畢業(yè)設(shè)計從一開始的課題確定，到后來的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來的調(diào)試和測試過程，這一切都使我的理論知識和動手能力進一步得到提升。在畫原理圖、電路仿真和調(diào)試過程中不可避免地遇到各種問題，這要求保持沉