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黄山学院课程设计说明书专业：自动化班级：卓越班姓名：周振指导老师：钱庆文老师成绩：2014年6月7日课程设计任务书课程设计题目设计Pt100温度传感器采集电路功能技术指标利用PT100来制作温度采集，温度范围-20度到600度，精度0.1度。工作量一周工作计划利用两天了解Pt100的特性以及应用，还有两天时间来进行电路分析以及绘制，最后仿真调试。其余时间来做结论，总结指导教师评语第一章绪论：设计一个Pt100温度传感器采集电路，温度范围从-20到600度，精确到0.1度。pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。通过Pt的温度特性来根据采集信号的变化来测得温度。第二章电路的的方框图：温度变化电阻变化电压变化信号放大AD采集数字滤波还原为温度显示温度第三章单元电路设计、参数计算和器件的选择：1.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PT100的电路选择，信号的放大和AD转换。PT100的采样有两种，电阻接法有三种；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温度变化电阻变化电压变化信号放大AD采集数据采集数字滤波还原为温度显示温度数据分析数据显示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0～600℃范围内：Rt=Ro(1+At+Bt2)在-20～0℃范围内：Rt=Ro(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=0.0358mVPT100两端的电压值的取值范围大概为0.092V~0.314V6200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:25μs，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。2.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]RxR[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]RxR[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32.064）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。AIN0～AIN3:4个模拟通道,可接受-10.0～10.0V的模拟输入电压;BYTE:并行数据输出选择位,仅在数据作并行输出时使用。BYTE=1时,输出低8位D0～D7BYTE=0时,输出高8位D0～D7第四章电路的调试与仿真：提供稳定的基极电压4.1V,使采集到有效的电压差给运放电路，最后得出相应的电压变化。相应的电路仿真调试如下：电压输入五、收获与体会：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-20-10092.1696.09100.0091.7795.6999.6191.3795.3099.2290.9894.9198.8390.5994.5298.4490.1994.1298.0489.8093.7397.6589.4093.3497.2689.0192.9596.8788.6292.5596.48010100.00103.90100.39104.29100.78104.68101.17105.07101.56105.46101.95105.85102.34106.24102.73106.63103.12107.02103.51107.40203040107.79111.67115.54108.18112.06115.93108.57112.45116.31108.96112.83116.70109.35113.22117.08109.73113.61117.47110.12114.00117.86110.51114.38118.24110.90114.77118.63111.29115.15119.015060708090119.40123.24127.08130.90134.71119.78123.63127.46131.2813