铂电阻温度传感器

1、温度传感器 设计报告 成员：阴支航,杨翔宇,孙亮,那宇,钱超第一章 温度测量文献综述1.1温度测量的意义 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度测量是指使用测温仪表对物体的温度进行定量的测量。温度是一个和人们生活环境密切相关物理量，也是在其他研究、生产、科研、生活中需要测量和控制的物理量，同时也是最基本的环境参数。人们的生活与坏境温度息息相关，物理、化学、生物等科学都离不开温度。像太阳能热水器、电力、石油、农业大棚经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对温度进行控制。温度测量的重要性： 温度测量根据所应用的情况不同有不同的重要程度，但是在很多领域的应用中其影响都不可小觑，对温度的检测不仅可

2、以及时反映状态，还能避免很多危险情况。如：对变电站的温度测量、对物体表面的温度测量、对管道蠕变的温度测量等，均能体现温度测量的重要性。1.2温度测量现状 温度测量方面，世界各国均取得了许多可喜的成果。前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001，理论上可达0.00001，而且在-40230范围内具有温度与频率的线性特性；日本利用所谓石英温度频率转换器-80200的温度范围，最大分辨率达0.0001；美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计，电桥分辨0.00002；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001，误差在0.05以内；中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-

3、1000)型粘贴式测温片，其静态测温精度为0.5%，快速响应时间小于0.013s。1.2.1辐射温度测量技术 在自然界中，任何物体的温度如果超过绝对零度都会不断地向周围空间发出红外辐射能量。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪。辐射测温的特点: (1)测温范围从高、中温 向 中、低温部分拓展;(2)准确度和稳定性更高;(3)工作波段多样化, 可根据被测对象的特性选择;(4)从点测量发展到二维面测量;(5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点;(6)从测量原理和方法上消除发射率影响,实现物体的温度测量。 多光谱

4、测温技术也逐步开始在科研和工程领域中得到了应用。其原理是在一个仪器中制成多个光谱通道,利用多个光谱的物体辐射能量信息,经过数据处理得到物体的真实温度。该方法测量温度上限和测量准确度高、响应快，受中间介质影响小,非常适合非透明火焰温度和高温表面温度的测量。1.2.2光纤温度测量技术 光纤测温技术是指光源发出的光经放大后，由光纤到达传感器热敏材料部分，每一个传感器反射回一个与自身温度相对应的窄谱脉冲光信号，信号处理部分对返回信号列进行滤波采样和分析，从而确定每一个传感器温度的技术。 分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统,它是一种分布式的、连续的、功能型光纤温

5、度测量技术。其中,光纤既是传输媒体也是传感媒体,利用光纤后向喇曼散射的温度效应,可以对光纤所在的温度场进行实时测量,利用光时域反射技术(OTDR)可以对测量点进行精确定位。分布式的结构使得该系统能够实现实时快速多点测温。1.2.3电量式温度测量技术 电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量,包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。 热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时,就会产生热电势,根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。热电偶具有响应快，结构简单,适宜远距离测量和自动控制的特点,应用比较广泛

6、。 热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的,输出信号大,准确度比较高,稳定性好,但元件结构一般比较大,动态响应较差,不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件,具有灵敏度高、价格便宜的特点,但其电阻值和温度的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。 随着电子技术的发展,可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上,构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片,输出信号可以是电压、频率,或者是总线数字信号,使用非常方便,适用于便携式设备。第二章 总体方案设计2.1 DS18B20温度传感器 DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传

7、感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。由于其具有单总线的独特优点，可以方便的实现多点温度的测量,使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。DS18B20温度传感器系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且能在恶劣的环境下进行现场温度检测。DS18B20温度传感器的性能特点：1） 独特的单总线接口仅需要一个端口引脚进行通信,可以是 串行口也可以是其他I/O口，无须变换，直接输出被测温度值（9位二进制，含符号位）。 多个DS18B20可以并联挂接在一条总线上，实现多点温度采集检测功能；2）可测温度范围为-55+125，测量分辨率为0.0625；3） 内含6

8、4位经过激光修正的只读存储器ROM；4） 内含寄生电源，可直接通过数据总线供电，电压范围为3.05.5V；5） 零待机功耗；6） 用户可通过编程分别设定各路的温度上、下限温度值来实现报警功能；7） 适配各种微处理器；8） 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；10 可检测距离远，最远测量距离为150m 。DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度报警触发器,温度传感器以及高速缓存器。内部电源探测位和单线端口位产生器暂存器下限触发上限触发温度传感器存储器和

9、控制逻辑DS18B20的测温原理： ds18b20器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。DS18B20测温流程初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器

10、转换成显示码数码管显示2.2 热电偶温度传感器 热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换热。电偶是接触法测温常用的传感器之一。自1821年塞贝克发现热电效应起，热电偶的发展已经历了一个多世纪，据统计，在此期间曾有300余种热电偶问世，但应用较广的热电偶仅有四、五十种，国际电工委员会(IEC)对其中被国际公认、性能优良和产量最大的七种制定标准，即IEC584-1和6842中所规定的。S分度号 (铂铑10一铂)；B分度号（铂铑30一铂铑6)；K分度号(镍铬一镍硅)；T分度号（铜一康铜)；E分度号(镍铬一康铜);J分

11、度号(铁一康铜);R分度号(铂铑13一铂)等热电偶。热电偶大多具有以下优点： (1)热电偶通常是由2种不同的金属丝组成。而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，结构简单，制造方便，使用起来非常方便。 (2)测温精确度较高，反应速度快，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，高温区的复现性和稳定性很好。 (3)由于测温显示电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制。 (4)热电偶体积小，热容量及热惯性均小。能用来测量点的温度和壁面温度， 也能用来进行动态温度测量。 (5)品种规格多，测温范围广，在-27O到2800范围内有相应产品可供选用。热电偶的工作原理 两种不同成份的导体（称为热电

12、偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合 热电偶温度传感器的结构（1）热电极（2）绝缘材料套管（3）保护管（4

13、）接线盒热电偶温度传感器工作电路2.3 PT100铂电阻温度传感器 在十九世纪末，人们就开始使用电阻法进行温度测量。1871年西门子把铂丝绕在粘土上，然后再套上铁管构成电阻感温元件，作为测温的工具。直到今天，铂电阻依旧是国际实用温标中的一种重要的内插仪器。它的下限温度已经延伸到平衡氢三相点温度(13.81K)，并且人们还在努力把它的上限点提高到银的凝固点(+961.93C)或金的凝固点(+1064.43C)，并用它来替代精确度稍差的铂铹一铂标准热电偶。铂电阻的特点金属热电阻有较高的灵敏度而且要求有较高的稳定性和复现性，其中以铂电阻的精度最高铂电阻不仅广泛用于工业测量，更重要的事它还能制成标准的

14、和基准的温度计 （1） 有较高的电阻一温度系数 （2） 电阻率大（3） 易提纯，复制性好，互换性好。 （4） 满足对温度传感器的基本要求如灵敏度大，线性好，复现性高，响应时间小，价格便宜，物理化学稳定等优点。11.dRdRRdtR dt 铂电阻的结构和性能 铂电阻常用的有两种：杆式和囊式。杆式的上限温度很高可使其温度范围在-183C630C和OC1100C，分别称为中温铂电阻和高温铂电阻。囊式铂电阻的下限温度低，可使用于-263C+200C，所以有称为低温铂电阻。Pt100铂电阻测量温度的方法 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、

15、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温(-200650)范围的温度测量中。 测量方法 (1)电桥式测量方法 (2)恒流源式测量方法方案分析对比：方案一采用的传感器是DS18B20，这种传感器虽然硬件简单，但是成本较高。方案二的测量准确度难以超过0.2，而且必须有参考端，并且温度要保持恒定，在高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用（如氧化、还原）等而发生劣化方案三所使用的温度传感器准确度最高，且输出信号大，测温范围广，稳定性好。最主要的是它的输出线性好。因此本次设计将采用方案三进行具体设计与分析。第三章 Pt100铂电阻具体设计与特性分析方案设计 本方案以AT89C51单片机系统为核心，对

16、单点的温度进行实时测量检测。并采用热电阻PT100作为温度传感器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。 金属热电阻是一种广泛应用的温度传感器。它以测量精确，线性好，重复性好，测量范围大，体积小等特点被用在很多场合，其中铂电阻传感器被定为测温的基准。金属铂的电阻值随温度变化而变化基本成线形关系，并且具有很好的重现性和稳定性，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-20065

17、0）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温及各种实验仪器仪表等领域，而且被制成各种标准温度计(涵盖国家和世界基准温度)供计量和校准使用。铂热电阻的特点：（1）电阻率大（2）复制性好，互换性好（3）有较高的电阻一温度系数（4）满足对温度传感器的基本要求铂电阻的结构 杆式和囊式。杆式的上限温度很高可使其温度范围在-183C630C和OC1100C，分别称为中温铂电阻和高温铂电阻。囊式铂电阻的下限温度低，可使用于-263C+200C，所以有称为低温铂电阻铂电阻的性能 当不考虑温度的影响时，导体的电阻值R可以用下面的关系式表示： 当考虑温度的影响时，而导体材料的电阻率随温度变化的关系为: (t

18、)=(0)*(1+*t)式中t导线材料在温度为tC时的电阻率 0导线材料在温度为0C时的电阻率 导体材料的电阻温度系数（/C）LRS当温度改变时，L、S可以近似看作不变，导体的电阻可表示为： Rt=R0(1+*t)式中Rt导体材料在温度为tC时的电阻值 R0导线材料在温度为0C时的电阻值 导体材料的电阻温度系数（/C） 在温度范围-200C0C之间，铂热电阻的电阻与温度之间的关系为 Rt=R1+At+Bt2+Ct3(t-100) 在温度范围0C650C之间，铂热电阻的电阻与温度之间的关系为 Rt=R0(1+At+Bt2) 铂电阻温度的测量方法 由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行

19、非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。 方法： （1）电桥式测量方法 （2）恒流源式测量方法 本设计将采用电桥式测量方法 常用的Pt100电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的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。 pt100常用电路图 R2、R3、R4 和Pt100 组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入

20、电压通过TL431 稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。 由于pt100输出的信号微弱，所以采用放大电路进行放大。放大电路采用LM358 集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大。 虽然电桥部分已经经过TL431 稳压，但是整个模块的电压VCC 一定要稳定，否则随着VCC 的波动，运放LM358 的工作电压波动，输出电压Av 随之波动，最后导致A/D 转换的结果波动，测量结果上下跳变。 转换电路设计 ADC0809 A/D模数转

21、换器 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换.ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装.ADC0809 引脚图 ADC0809工作过程 首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存

22、器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。A/D转换电路原理图传感器的整体分析 此传感器除了上面说的敏感元件之后应紧接着进行温度补偿，然后接到A/D转换电路上，最后一步进行单片机控制的显示电路，MCU是整个系统的控制核心，由于温度测量系统的接口方便，综合考虑整个系统，选用美国ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS

23、 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。At89c51拥有4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 AT89C51共有4个双向的8位并行I/O端口，分别为P0

24、P3，共有32根口线，端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。P0P3的端口寄存器属于特殊功能寄存器系列。这四个端口除了可以按字节寻址外还可以位寻址。其中P0口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻，P3口既可以做为普通I/O口使用，还可以作为特定的功能引脚。电路图此外，还需要显示电路显示所测温度。电路中数码管用74HC573锁存数据。 74HC573输入是和标准 CMOS 输出兼容的。当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的，也就是说输出同步。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。出能直接接到 CMOS，NMOS 和 TTL 接口上。电压范围：2

25、.0V6.0V ，输入电流：1.0uA 。74HC573电路图 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所有要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。要显示新的数据时，单片机再发送新的字形码。 另一种方法是动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立的受I/O线控制。CP

26、U向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM段，而这一段是由I/O控制的，由单片机决定何时显示哪一位了。 动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余晖效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。这里使用动态扫描。八位共阳极数码管 上述都是此系统的硬件设计系统，除此之外，其还有软件设计系统 软件设计采用单片机的C语言或汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利

27、于软件的调试修改程序主要由主程序和子程序两部分构成。 系统程序主要实现系统的初始化，A/D转换，显示数据。 系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信缓冲区的初始化），LED显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。 A/D转换包括数据转换（主要实现将测量电路监测到的电压信号转换成LED显示所需的数据类型）。 显示数据包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成LED显示所需的数据类型）和显示屏的刷新（包括刷新采集数据屏和根据按下的键更改显示屏）。程序include#include#

28、include#define A 3.9083e-3 #define B -5.775e-7#define C -4.183e-12double pt100(unsigned char d);void delay882us(void);void x8led(unsigned long ddd);void init();/初始化sbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit CLK=P37;sbit ALE=P22;sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P23=P23;unsigned char getdata,temp;double

29、c;void main()init();while(1)ST=0;ST=1;ST=0;while(EOC=0);/等待转换结束 OE=1;getdata=P0; OE=0; temp=getdata;c=100*pt100(getdata);void init()ET0=1;ET1=1;EA=1;TMOD=0 x12;/0工作在模式2，T1工作在模式1TH0=216;TL0=216;TH1=(65536-40000)/256;TL1=(65536-40000)%256;TR1=1;TR0=1;void timer1() interrupt 1 /500KHZCLK=CLK;void timer

30、2() interrupt 3 /显示TH1=(65536-40000)/256;TL1=(65536-40000)%256;x8led(c);/*计算温度*/double pt100(unsigned char d)/计算温度double fT,fR,fT0;unsigned char i;fR=(getdata*1000)/72.0;fT0=(fR/100-1)/A;if(fR=18.52&fR100)for(i=0;i50;i+)fT=fT0+(fR100*(1+A*fT0+B*fT0*fT0+C*fT0*fT0*fT0*fT0)/(100*(A+2*B*fT0-300*C*fT

31、0*fT0+4*C*fT0*fT0); if(fabs(fT-fT0)=100&fR390.481)for(i=0;i50;i+)fT = fT0 + (fR - 100*(1 + A*fT0 + B*fT0*fT0) / (100*(A + 2*B*fT0) ;if(fabs(fT - fT0) 0.001) break;else fT=fT0;return(fT);/*数码管扫描*/void x8led(unsigned long ddd) unsigned char q,r=0; unsigned char l10=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0

32、x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90; /不带小数点 / unsigned char ll10=0 x40,0 x79,0 x24,0 x30,0 x19,0 x12,0 x02,0 x78,0 x00,0 x10; /带小数点 /0-9的字段码共阳 unsigned char xx8=0,0,0,0,0,0,0,0; unsigned char y8=0 x80,0 x40,0 x20,0 x10,0 x8,0 x4,0 x2,0 x1; xx0=ddd%10; xx1=ddd/10%10; xx2=ddd/100%10;xx3=ddd/1000%10;/求出八位数，分别放

33、在八个变量中 xx4=ddd/10000; for(q=0;q5;) /循环扫描 q+; r+; if(r=5)r=0; /P1=yr; P21=1; P1=yr; delay882us(); P21=0; P20=1; P1=lxxr; delay882us(); P1=0 xff; P20=0; P21=1;/小数点 P1=0X10; delay882us(); P21=0; P20=1; P1=0 x7f; delay882us(); P1=0 xff; P20=0; void delay882us(void)/延时882usunsigned char i;for(i=0;i255;i+

34、)_nop_();使用条件和误差补偿Pt100温度传感器温度的采集范围可以在-200+200，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。（1）测量范围：-200+850； （2）允许偏差值： A级 0.150.002t B级 0.300.005t；（3）响应时间30s； （4）最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；（5）允许通过电流5mA由于pt100的非线性程度不高，因此对pt100进行非线性补偿 pt100可以通过动态调整流过的电流来实现电压输出非线性的补偿,同时考虑到热电阻的安装需要较长的导线,因此设计的电路也兼顾引线补偿功能。下面对本电路的工作原理给以分析说明。电路中各节点与支路上的电学参量如图所示对运算放大器U1有：V1=VI2R2,V2=VI4R4，V3=V1/2，V2=V3由此得到：V=2I4R4-I2R2根据电流关系和虚短原理有：I=I2+I4 I4=