铂电阻数字温度计课程设计.

1、铂电阻数字温度计课程设计报告 专业班级：测控技术与仪器063班 学生学号：106034070 学生姓名：张利辉 指导教师：潘文诚 设计时间：2009年5月 一、设计任务与要求 1铂电阻线性电路的设计； 2消除引线影响； 3. ICL7107显示数控电路的应用； 4. MATLAB和 PROTEU仿真； 5. 设计一个量程为0-300 C,分辨率为C的铂电阻数字温度计； 二、电路原理分析与方案设计 利用铂电阻温度传感器、随温度变化信号的线性化技术、消除引线电阻的影 响并使用ICL7107显示电路制作一个量程为 0300C，分辨率为1C的铂电阻 数字式温度计。 电路原理图如下： 三、单元电路分析与

2、设计 1.铂电阻PT100温度传感器 导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温 度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金 属材料必须具备以下特性：（1）电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度 之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；(4)在测量范围内物理和化学性质稳定，目前， 在工业中应用最广的材料是铂和铜。 铂电阻与温度之间的关系，在 0630.74 C范围内可用下式表示： FT=F0(1+A*T+B*TA2) 在-2000 C的温度范围内为 FT=F0(1+A*T+B*T

3、A2+C*(T-100 C )丁八3) 式中：F0和FT分别为在0C和温度T时铂电阻的电阻值，A B、C为温度系 数，有实验确定，F0=100 Q ,A=3.90802e-3 C 八/ ， B=-5.80195e-7A-2,C=-4.27350e-12 C a-4。铂电阻广泛应用于-200 850C范围 内的温度测量，工业中通常在 600C以下。 铂电阻随温度变化曲线： 00 50 5OJ 400 350 PT100温度电阻曲线 O 20 O 4OT 00温 3 O nu 5 O 70 二、线性化技术 1 原理及线路 V =(RO*VR)/(R O+Rl) (VR-V刀)/R 1=-(VA-V

4、刀)/R T VA=-RT* (VR-V 刀)/R 1+VE =-(RT*V R)/R 1+(R0+Rl )*V 刀/R1 =-(RT*VR)/R1+( (RT+R)*R0*VR)/(R 1*(R0+RI) =(-RT*R 0- RT*Rl+RT*F0+R0* R1 )*V F/(R 1*(R0+Rl) =(-RT+R 0)*V R/(RO+RI) A V=(VR-KA)*R0/(R 0+Rl)+KA=.=-(V A-V刀)/R T VA=-RT* (VR-V刀)/R 1+VE =(R0-RT)*VR/(R 0+R1-K(R1+RT) 令 F0=F2+R3*R4/ ( R3+F4)校正系数 K

5、=F3/ ( R3+F4) VA=(R0-RT)*VF/(R 0+RI-K(R1+RT) =(R2+R3 / R4-RT)/(R 2+( R3 / R4)+ Rl- R3*( RT+Rl)/( R3+R4)2 线性化电路如上图所示。图中 VR是参考电压源，RT是铂热电阻温度传感器， 电路的输出电压VA与VT的关系如式2，当RT=R0寸，VT=0参考源VR采用负 值时，VT随RT的增加而增加。在式2中选择适当的校正系数K,可改善温度与 铂热电阻值之间的二次非线性关系。 2. K的求法 K值采用三点零误差法求取，首先把测温区分为三等分，所得三个温度点有低 至高TL、TM TH,相对应的铂电阻阻值

6、RT分别为RL RM RH线性化电路的输 出分别为 VA(L)、VA(M)、VA(H)。 由于 TH-TM=TM-TL 故有相对应的线性化电路三点输出值也需在同一条直线上(即非线性误差为零)0 即 VA(H)-VA(M)=VA(M)-VA(L) 2*VA(M)=VA(H)+VA(L) 将线性化电路的输出表达式VA(RT,K)代入上式得 2*VR(R0-RM)/(R0+R1-K(R1+RM) =VR*(R0-RH)/(R0+R1-K(R1+RH)+VR*(R0-RL)/(R0+R1-K(R1+RL) 约去VR,求得K. K=(R0+R1)*(2*RM-RH-RL)/(RM*RL+RM*RH-2*

7、RL*RH+R1*(2*RM-RH-RL)- 经校正后的电压-温度曲线VT=f (T)的形状如右下图仿真所示，其最大误差发 生在量程的约20%处，最大正误差发生在量程的约 80%处在量程的起点TL、中 点TM终点TH的误差均为零。在600E量程范围内，最大误差的理论计算值小 于 0.05%。 三、弓I线电阻消除技术 铂热电阻是以其电阻变化来反映温度变化的，如从传感器连接到仪表的引线过 长，弓I线电阻将带来测量误差。消除引线电阻的影响的电路如下图所示。 铂热电阻RT采用三线接法，图中，RL是等效的引线电阻，电路的分析如下式: V1=(2*RL+RT)*Vi/R1 VL=(RL+RT)*V1/(2

8、*RL+RT)=(RL+RT)*Vi/R1 (V0-VL)/R=(VL-V1)/R V0=-V1+2*VL 将式 、弋入式 ,得 V0=-RT*Vi/R1 式表明，在理想情况下，弓I线电阻 RL的影响已被完全消除。实际的情况则 要考虑电阻的容差和右侧运放的失调影响。 消除引线电阻影响的铂电阻线性化电路如下图所示。 采用误差为1%的金属 膜电阻和通用型运放，输出 VT经模拟开关接3 1/2位模数转换器ICL7107,其 最大误差如下表所示： 里程范围(C) 分辨率(C) 最大误差(满量程) -50200 0.1 0.08 -100 400 1 0.20 -50 600 1 0.30 四、ICL7

9、107显示数控电路的应用 ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含 3 1/2位数字A/D转换器，可 直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱 动、自动调零功能等。 ICL7106, ICL7107 (PDUP) TOP VIEV/ OSC 1 TEST REF HI REF LO IN HI Ih LO (10_5)电 IHT (10Qr6 也 4US) dMCh AB* POL Cef+ c ref- COMMON HUFF G2 no BP/QND 管脚功能：数码管连接端：2 8 脚个位、914脚十位、1519脚 千位、2225脚百位；高低电位：

10、1脚V+和26脚V_ ； 21脚数字接 fills pjsir Poa8 ICL7107 自训忖 Cx-UTjF GQ.ai.F C4lOCpF C5=0.02l.F R, = Ri-CM Rj=iDCbD EHHEEHEEHME MEM 地；30 31脚信号输入端；32脚 模拟接地；36脚调到100mv ； 37 脚测试端。 FIGURE 2 L71O7 TEST CIRCU IT AND TYPICAL APPLICATION WITH LED DISPLAY COMPONENTS SELECTED FOR 200mVFLJLL SCALE LM324引脚图资料与电路应用: LM324引脚

11、图资料与电路应用LM324资料：LM324为四运放集成电路， 采用14脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电 路功耗很小，Im324工作电压范围宽，可用正电源330V,或正负双电源土 1.5V 15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它的内部 包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互单独。每一 组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“ +”、 “-” 为两个信号输入端，“ V+”、“V-”为正、负电源端，“ Vo”为输出端。两个信 号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端

12、的 相位相反；Vi+ (+)为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相 位相同。LM324引脚排列见图1。2。Im124、lm224和Im324引脚功能及内部 电路完全一致。Im124是军品；Im224为工业品；而Im324为民品。由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点， 因此他被非常广泛的应用在各种电路中。 OUTPUT 4 INPUT 4- 用PUT 萨GND INPUT 3+ INPUT OUTPUT 3 141 a 12 11 ID 9B D J iu J-| 15 ! 3 p 67 OUTPUT t INPUT 1 Wf(J

13、TV+ INPUT 2* INPUT 2- OUTPUT 2 （厨瞞入端.V+ Im324管脚图 Hi- a Ifi+e （同相输入端） Im324 原理图 表 ILM324 引脚 1功能 feffi(V) 引脚 r功能1 电压（V） 1 输出1 30 8 输出3 J 3. 0 2 r随后分别在0300E范围内所对应的电阻 值100Q212.02 Q之间选取适当数值（例如：114.8 Q、138.50 Q、165.87 Q、 175.47 Q等）进行调试，对照PT100铂热电阻分度表观察显示温度值与电阻值是 否相对应，如对应一致，则调试成功，否则要检查相应电路找出毛病并修改后继 续进行调试至成

14、功。 2、仿真结果与实测数据进行对照： 序号 RT电阻值Q 对照表温度值C 数码管显示值mv 1 100 0 0 2 111.67 30 29 3 123.24 60 58 4 134.70 90 87 5 146.06 120 114 6 157.31 150 145 7 168.46 180 173 8 179.51 210 203 9 190.45 240 232 10 201.29 270 268 11 212.02 300 300 五、结论与心得 本次课程设计在前期原理分析与仿真过程遇到很多的问题，花费了较多时间 在不断地摸索中寻找到了答案，例如，由（TL、VL）、（TM VM、（T

15、H VH三点 求得直线时斜率计算精确度不够导致曲线不够准确，因为取点位数一定时，三点 当精确到0.0001之后有稍偏离同一直线的倾向，所以按（TL、VL）、（TH VH 两点计算可得出较为准确的结果，即使（TM VM只是左右偏离，也会在同一水 平线上。 在焊接过程中，器件选择时由于实验室电阻盒子上标称值不太清楚，开始焊 接前也未用万用表重新量过，导致误把 4.7K当作47K电阻来用，随后其余的均 通过万用表测量进行选择，焊接过程较快。 之后进行整机调试，基准电压和零位调整较快，在调温度测量选择时，0C 调节好后，300C数码管显示正常，但是在中间点150C的时候的误差值较大。 开始时以为分压电阻选错，进行了调节并更换了电阻和电位器， 还是不成功；后 来通过