傳感器課程設計----基于pt100溫度測量系統

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 方案設計與論證2</p><p>　　第一節(jié) 傳感器的選擇2</p><p>　　第二節(jié) 方案論證3</p><p>　　第三節(jié) 系統的工作原理3</p><p>　　第四節(jié) 系統框圖4</p><

2、;p>　　第二章 硬件設計4</p><p>　　第一節(jié) PT100傳感器特性和測溫原理5</p><p>　　第二節(jié) 信號調理電路6</p><p>　　第三節(jié) 恒流源電路的設計6</p><p>　　第四節(jié) TL431簡介8</p><p>　　第三章 軟件設計9</p><p

3、>　　第一節(jié) 軟件的流程圖9</p><p>　　第二節(jié) 部分設計模塊10</p><p><b>　　總結11</b></p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p>　　第一章 方案設計與論證</p><p>　　第一節(jié) 傳感器的選擇&l

4、t;/p><p>　　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，其中將溫度變化轉換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將

5、溫度變化轉換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。</p><p>　　熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，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、高電阻率、化學、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。近年來各半導體廠商陸續(xù)開發(fā)了數字式的溫度傳感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、

6、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，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，其本質均為數字輸出，而ADI公司的AD7416的數字接口則為近年也比較流行的I2C總線，這些本身都帶數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

7、77;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。</p><p>　　熱電偶是目前接觸式測溫中應用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結構簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(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、延伸導線誤差、動態(tài)誤差以及使用的

8、儀表誤差等。</p><p>　　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，反應速度快，既可測近距離小目標的溫度，又可測遠距離大面積目標的溫度。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、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。</p>

9、<p>　　由于本設計的任務是要求測量的范圍為0℃～100℃，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－200℃～＋650℃。具體在0℃～100℃的分度特性表見附錄A所示。</p><p><b>　　第二節(jié) 方案論證</b></p>&l

10、t;p>　　溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統的分立式傳感器、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，不便于集成數字化，而且測量誤差大。 方案二：采用溫度傳感器   通過溫度傳感器采集溫度信號，經信號放大器放大后，送到A/D轉換芯片，將模擬量轉化為數

11、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-200℃～650℃，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

12、較大的提升。在這里我選用方案二完成本次設計。</p><p>　　第三節(jié) 系統的工作原理</p><p>　　測溫的模擬電路是把當前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉換為容易測量的電壓值，經過放大器放大信號后送給虛擬儀器實驗室的PCI-6251數據采集卡,再通過虛擬儀器把當前的電壓值轉變成溫度</p><p><b>　　第四節(jié) 系統框圖</b>

13、;</p><p>　　本設計系統主要包括溫度信號采集單元，數據處理單元，時間、溫度顯示單元。其中溫度信號的數據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。</p><p>　　系統的總結構框圖所示。</p><p><b>　　第二章 硬件設計</b></p><p>　　第一節(jié) PT100傳感

14、器特性和測溫原理</p><p>　　電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質材料作成的電阻,它會隨溫度的改變而改變電阻值。</p><p>　　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,</p><p>　　其電阻阻值與溫度的關系可以近似用下式表示：</p&g

15、t;<p>　　在0～650℃范圍內：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2)</p><p>　　在-200～0℃范圍內：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)</p><p>　　式中A、B、C 為常數，</p><p>　　A=3.96847&

16、#215;10-3；</p><p>　　B=-5.847×10-7；</p><p>　　C=-4.22×10-12；</p><p>　　由于它的電阻—溫度關系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內其電阻和溫度變化的關系式如下：R=Ro(1+αT) </p><p>　　其中α=0.00392, Ro為100Ω(在

17、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。</p><p>　　PT100溫度傳感器的測量范圍廣：-200℃～+650℃，偏差小，響應時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應用，本設計即采用PT100作為溫度傳感器。</p><p>　　主要技術指標：1. 測溫范圍：-200～650攝氏度；2. 測溫精度：0.1攝氏度；&

18、lt;/p><p>　　3. 穩(wěn)定性：0.1攝氏度</p><p>　　Pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉換成數字信號，再由處理器換算出相應溫度。采用Pt100 測量溫度一般有兩種方案：</p><p>　　方案一：設計一個恒流源通過Pt100 熱電阻，通過檢測Pt100 上

19、電壓的變化來換算出溫度。</p><p>　　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Pt100電阻值變化時，測試端產生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。</p><p>　　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。</p><p>　　第二節(jié) 信號調理電路</p><p>　　調

20、理電路的作用是將來自于現場傳感器的信號變換成前向通道中A/D轉換器能識別的信號，作為本系統，由于溫度傳感器是熱電阻PT100，因此調理電路完成的是怎樣將與溫度有關的電阻信號變換成能被A/D轉換器接受的電壓信號。</p><p><b>　　第三節(jié) 恒流源電路</b></p><p>　　從上述關于PT100傳感器測溫原理可知，由PT100構成信號的獲取電路常用的方法有

21、2種，一種是構成的十分常見的電橋電路，當然，在本系統中，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。上述兩種電路的結構形式見圖2-1所示。</p><p>　　A圖單臂橋式 B圖恒流源式</p><p>　　圖2-1 兩種信號獲取的結構電路</p><p>&l

22、t;b>　　硬件電路如圖所示</b></p><p>　　圖2-2 硬件電路圖</p><p>　　第四節(jié) TL431主要參數簡介</p><p>　　TL431是一種并聯穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低，因此廣泛應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。同類產品還有圖b所示的雙直插外形的。</p>

23、<p>　　三端可調分流基準源 </p><p>　　可編程輸出電壓:2.5V~36V </p><p>　　電壓參考誤差：±0.4% ，典型值@25℃（TL431B） </p><p>　　低動態(tài)輸出阻抗:0.22Ω(典型值) </p><p>　　等效全范圍溫度系數：50 ppm/℃（典型值） </p>

24、<p>　　溫度補償操作全額定工作溫度范圍 </p><p>　　穩(wěn)壓值送從2.5--36V連續(xù)可調， </p><p>　　參考電壓原誤差+-1.0%， </p><p><b>　　低動態(tài)輸出電阻， </b></p><p>　　典型值為0.22歐姆， </p><p>　　輸出電流

25、1.0--100毫安。 </p><p>　　全溫度范圍內溫度特性平坦， </p><p>　　典型值為50ppm， </p><p><b>　　低輸出電壓噪聲。 </b></p><p>　　封裝：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23 </p><p>　　最大

26、輸入電壓為37V </p><p>　　最大工作電流150mA </p><p>　　內基準電壓為2.5V </p><p>　　輸出電壓范圍為2.5~36V </p><p>　　替換型號及應用領域:</p><p>　　ZTL431AH6TA </p><p>　　ZTL431ASE5TA

27、</p><p>　　ZTL431BH6TA </p><p>　　ZTL431BZTA </p><p>　　ZTL431BCSTZ </p><p>　　ZTL431BE5TA </p><p>　　UTCTL431L </p><p>　　ZTL431BFFTA </p>&

28、lt;p>　　應用領域:： 電平值轉換 </p><p><b>　　內部結構</b></p><p><b>　　圖c</b></p><p>　　TL431的具體功能可以用圖c的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個內部的2.5V的基準源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同向端）的電壓非常

29、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，通過三極管圖1的電流將從1到100mA變化。當然，該圖絕不是TL431的實際內部結構，但可用于分析理解電路。 </p><p><b>　　軟件設計</b></p><p>　　軟件設計部分在labview上完成，前面板如圖所示，對溫度進行實時采集</p>&

30、lt;p>　　圖3-1 采集顯示前面板</p><p><b>　　Vi子程序部分</b></p><p>　　圖3-2 Vi程序</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本溫度測量系統設計，是采用PT100溫度傳感器經過放大和A/D轉換器送到單片機進行控制溫度顯示和

31、時間顯示。另外本系統還可以通過外接電路擴展實現溫度報警功能，從而更好的實現溫度現場的實時控制。</p><p>　　經過多次的修改和調試測量，本設計基本符合設計要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統難免不了帶來一些誤差，但通過調節(jié)和精確計算可以減小誤差。</p><p>　　通過本次溫度測量系統的設計，我對溫度測量控制有了進一步的熟悉和更深入的學習。在整個設計的過程中，本設計的重點和難點

32、是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號轉換為能識別的電量信號，其中的信號如何放大及放大倍數的確定等等。</p><p>　　這次畢業(yè)設計從一開始的課題確定，到后來的資料查找、理論學習，再有就是近來的調試和測試過程，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、電路仿真和調試過程中不可避免地遇到各種問題，這要求保持沉著冷靜，聯系書本理論知識積極地思考，實在解決不了時候可以請教同學或指導老師。雖然在制作

33、過程中不可避免地遇到很多問題，但是最后還是在老師以及同學的幫助下圓滿解決了這些問題，實現了整個系統設計與最后調試，相關指標達到預期的要求，很好地完成了本次設計任務。通過本次畢業(yè)設計，我了解并掌握了一些傳感器和labview的基本理論知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 侯國屏，王坤，葉齊鑫。Labview7.1編程與虛擬儀器