热电阻温度测量系统

1、电子电路综合设计实验 实验 9 热电阻温度测量系统的设计与实现 摘要一、热电阻温度检测原理纯金属和大多数合金的电阻率都随温度升高而增加 , 即具有温度系数。 热电 阻温度计就是利用金属导体的电阻值随温度变化而改变的特性来进行温度测量 的。也就是说在一定温度范围内,电阻 -温度关系是线性的。温度的变化,可导 致金属导体电阻的变化。这样,只要测出电阻值的变化,就可达到测量温度的目 的。二、热电阻的分类热电阻常规使用一般有三种:名称 代号 分度号 测量范围 0度值铂热电阻 WZB BA1/BA2 -200650 46/100铜热电阻 WZG Cu50/Cu100 -50150 50/100镍热电阻

2、WZN Ni50/Ni100 -60180 50/100关键词热敏电阻,电子测温, A/D转换,滤波电路,放大电路,传感器电路报告正文一、 基本要求设计一个利用热电阻 Pt100为温度测量元件设计一个电子测温系统。1、温度测理范围 0-100摄氏度;2、用发光二极管显示 A/D的输出状态, 0度时输出“ 0000000” , 100度时 输出为“ 1100000” ,自拟检验方案。3、用体温检测系统的工作状况,显示结果基本吻合。4、设计该电路的电源电路(不要求实际搭建 ,用 PROTEL 软件绘制完整的 电路原理图(SCH 及印制电路板图(PCB 。二、提高要求1输出端加入 50Hz , 10

3、mV 的正弦波干拢信号,系统能正常工作;2用数码管显示测量结果。三、探究要求a 在本系统的基础上,经过简单改造,设计出其他用途的测量系统。请给 出尽可能详细的设计方案;b 请进一步完善本系统的功能或性能,给出具体方案或进行实际演示;c 能否给出功能或性能更好、性价比合理且与本系统的设计方案具有明显 差异的、全新的温度测量系统的设计方案;d 在不使用微处理器的情况下,能否寻找到克服 Pt100的阻值与温度的关 系存在非线性的方法。请给出具体方案。四、实验所用仪器1、 函数信号发生器2、 示波器3、 晶体管毫伏表4、 万用表5、 直流稳压电源五、实验可选器件Pt100热电阻和若干精密电阻及电位器,

4、 LM324、 OP07、 LM741、 ADC0804、 LM555、发光二极管、数码管、变压器、整流桥、 7812、 7912、 7805、 IN4148、 二极管、电阻、电容等六、实验目的1、了解掌握热电阻的特性和使用方法2、掌握利用运算放大器组成仪用放大器3、了解模数转换电路的设计和实现方法4、了解电子系统设计的方法和基本步骤。七、实验原理利用热电阻 Pt100为温度测量元件设计一个电子测量系统,如图 1所以,本 系统包括传达感器电路、 放大电路、 滤波电路、 AD 转换电路、 显示电路和电 源电路六个单元构成。其中, 传感器电路采用 Pt100热电阻和若干精密电阻及电位器够成的桥式温

5、 度测量电路进行设计;放大电路采用 LM324设计的三运放差分放大器构成; 滤波电路为采用高精度运放 OP07设计的 2阶低通有源滤波器。 A|D转换电路 采用 ADC0804进行设计;显示电路采用发光二级管进行设计;电源电路采用 变压器、稳压模块和整流桥等器件进行设计。热电阻温度测理系统原理框图1:电源电路的设计在电子电路和电气设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,直流 电源可分为两在类,一类是化学电源,各种各样的干电池、蓄电池、充电电 池等电源; 其优点是体积小、 重量轻、 携带方便等, 缺点是成本高, 易污染。 另一类是稳压电源,它是把交流电网 220V 的电压降为所需的数值,然后通

6、 过整流、滤波和稳压电路,得到稳定的直流电压,这是现实生活中应手比较 广的一类。 直流稳压电源的姐成一般是由电源变压器、 整流电路、 滤波电路、 稳压电路四部分组成。电源变压器的功能交流电压变换部分, 将电网电压变为所需的交流电压, 并将直流电源与交流电网隔离; 整流部分的作用产将变换后的交流电压转为 单方身的脉动电压。单方向在脉动电压存大很大的脉动成份,不能直接提供 给负载,脉动谐波成份成为纹波。电路形式有半波整流、全波整流、桥式整 流等形式;滤波电路的作用是滤除交流分量,得到更纯净的直流电源;稳压 部分的作用是维持输出直流电压的基本稳定。 经过滤波电路后的电压和稳定 性比较差。电压受温度、

7、负载、电网电压波动等因素的影响较大,故需要稳 压电路来保持电压的恒定。直流稳压电源的性能指标:1、最大输出电流2、输出电压和电压调节范围;3、保护特性4、效率5、过冲幅度单片集成稳压器是最常用的稳压器件之一。它把稳压电路的调整管、误差放 大器、 取样电路、 启动电路、 保护电路等集成在一个芯片上的专用集成电路。 单 片集成稳压器品种繁多, 我们只介绍应用最多、 最简单的一种:固定输出一三端 集成稳压器。固定输出的三端稳压器有输出正压和输出负压两种系列,分别用 CW78XX 和 CW79XX 表示。CW78XX系列(输出正压 :它又分为 CW78XX 、 CW78MXX 和 CW78LXX 三类

8、。 CW78XX 表示输出电流为 1.5A ; CW78MXX 表示输出电流为 0。 5A ; CW78LXX 表示输出电流仅为 0。 1A 。 其中表示输 出的电压值,实际有 0。 5、 0。 6、 0。 8、 12、 15。 20。 24几种规格,分别表示 输出电压为 5V 、 6V 、 8V 、 12V 、 15V 、 20V 和 24V 。 其外型封装及接线图如图所示。 CW79XX 系列(输出负压 :CW79XX 系列与 CW78XX 系列意义完全相同。所不同的是输出为负电压。在使 用单片集成稳压器应注意输入电压 VI 比输出电压 VO 高 2 3V 。 本系统设计的 电源电路如图所

9、示,共有 +5V、 +12V和 -12V 三个直流输出端。 2.1:放大电路设计在进行放大电路设计时,主要应该考虑尽可能提高输入阻抗和共模抑制比, 尽可能减小输出噪声和温漂, 从而尽可能减小信号的失真。 测理技术中常需要把 桥路的双端差模小信号放大并转换为单端输也的信号, 而且既要对共模信号具有相当强的抑制能力又要尽可能地减小温漂。 差分放大电路的特点正好能够满足这 些需求, 差分放大电路的设计可以采取三极管、 场效应管和集成运放等多种方案 进行。 在工程实际中, 为了提高系统的抗干拢能力, 以获得纯净的信号, 一般使 用运算放大器来设计差分放大电路。这里我们采用集成运放来设计差分放大器。如图

10、所示, 为三运放构成的差分电路, 这是一种现代工程常用的差分放大器 的结构。运放 A1和 A2构成输入放大部分, A3为差分放大部分。从电路结构可 知, 该电路具有输入阻抗高、 共模抑制比高、 温漂影响小和二级放大信号失真小 等优点。 图 3 三运放差分放大器电路行为特性(1差分输出部分在理想运算放大器条件下,根据电路图和差分放大器行为特征,得到 A3运 算放大器差分电路的输出为:2001021( R v v v R =- (1(2输入放大部分对于信号输入端,可以得到有关电阻 w R 上电流的方程2201112i o i i i V V V V V V RRR-= (2从上式可以解出:1122

11、21(1 (1 o i i w w o i i wwR R V V V R R R R V V V R R =+-=+-(3把上式带入(1式后可得:201212(1( i i wR R V V V R R =+- (4式 (4 就是理想运算放大器条件下, 三运放差分放大器的行为特征。 其中,21R R 是差分放大部分的差分信号放大倍数, 21wR R +是输入放大部分的差分信号放大倍数。对式(4的讨论如下:1 如果设输入信号由差模信号和共模信号叠加组成, ,则在理想条件下(理想的运放和对称的电阻元件 ,电路的共模抑制比可以 达到无穷大;2设输入共模信号为 co m V ,在式(3中令 12co

12、m i i V V V =,可以得到12com o o V V V =。这说明在三运放组成的差分放大器中, A1和 A2组成的输入放大部分对共模信号没有任何放大作用。以上分析还说明, 在理想条件下, 如果考虑 上电流代数和为零, 对于输入 的差分信号来说, 可以认为 A1和 A2组成的输入放大部分相当于两个相互独立的 同相放大器,同相放大器的反相输入端的接地电阻为2wR ,由此也可以得到式(4 。 但由于忽略了电流的抵消的原理, 所以这种分析方法不适合于对共模输入 信号的分析。2.2:电路参数分析(1电路的输入输出电阻根据图 2的等效电路, 对三运放差分放大电路来说, 其输入端对信号源来说 具

13、有相当高的电阻,输出电阻则是输出差分放大电路的输出电阻。 (2偏置电流和失调电压图 2表明,三运放差分放大电路并没有提供直流偏置电流通道。尽管电阻 RW 是运算大器 A1和 A2的同相端各加一个接电阻,才能构成偏置电流通道。实 际上, 在 A1和 A2中任何一个同相输入端加上一个接电阻即可, 但为了保持较小 的失调电压,应当各加一个电阻。 (3共模抑制比三运放差分放大电路的共模抑制比 KCMR 由差分电路的电阻决定。目前工程 中经常使用的是集成化的三运放差分放大电路,共模抑制比可以达到 100dB 以 上。除此之外, 还必须注意共模信号的幅度一般比较大, 需要考虑运算放大器对 输入信号最大值的

14、承受能力,保证每个输入端的最大输入信号幅度在允许范围 内。如图所示,本系统中采用四运放 LM324N 设计三运放差分电路。各参数值如 图所以, R=51 k , R1=1 k , R2=20 k , RW 由 20 k 的电位器与 10 k 的 固定电阻串联而成。 图 4 利用 LM324N 设计的三运放差分电路由式 (4 可得, 该三运放差分电路的放大倍数为 88 224。 在实际使用时可 以根据需要调整放大倍数的大小,灵活方便,通用性强,极具实用价值。 3.1:滤波器电路设计本系统中,为了去掉 50Hz 信号和其他随机噪声的干扰,在对测量信号进行 A/D转换和显示之前对放大后的信号进行滤波

15、。 从滤波效果好和电路尽可能简单 的角度考虑,如图 4所示,本系统采用高清度运放 OP07设计了一个二阶压控电 压源低通滤波电路。图 5 二阶压控电压源低通滤波电路3.2:通带电压放大倍数 LPF 的通带电压放大倍数就是 f=0是输入电压与输出电压之比。而对于直流 信号而言,电路中的电容相当于开路,因此它的通带电压放大倍数就是同相 比例电路的电压放大倍数,即:11f up R A R =+(53.3:传递函数集成运放同相输入端的对地电压与输出电压的关系是01( ( upU s U s A +=(6( U s +与M 点的电位关系是1( ( 1m U s U s sC R+=+ (7由节点电流法

16、(M 点可得:0( ( ( ( 0i m m m U s U s U s U s U s U s sC RR+-= (8将式(6 、 (7 、 (8联立求解,图 4所示的滤波电路的传递函数是 2( 1(3 (upu up A A s A sC R sC R =+-+ (9上式表明电路的通带电压放大倍数应小于 3,否则将有极点处于右半 S 平面 或虚轴上,电路不能稳定工作。 3.4:频率特性将式(9中的 s 换成 j ,并令 0012f R C=,可得21(3upu up A A f f j A f f =-+- (10当 0f f =时,式(10可化简为 0(3up uf f up A A j

17、 A =- (11当 0f f =时电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比成为 Q 值。13upQ A =- (12当二阶压控 LPF 的幅频特性可知, 当 Q =0.7时滤波效果最好, 此时 up A =1.57.正是从这一点考虑,加上本系统滤波的需要设计了图 9-4所示的二阶压控LPF ,此二阶压控 LPF 的上截止频率 0 7.96f H z=。4:A/D转换与显示电路设计本系统中, A/D转换电路的采用 ADC0804进行设计, 显示电路采用发光二 极管进行设计。 555振荡电路产生 1KHz 的脉冲信号触发 ADC0804的 WR 完成 A/D转换操作。ADC0804是分辩率为 8位

18、的逐次逼近型的 A/D转换器,完成一次转换大约需要 100us , 输入电压为 0-5V 引出端refU 是芯片内部电阻所用的基准电源 电压,为芯片电源电压的 1/2,即 2.5V 。如果要求基准电源电压的稳定度较高时,refU 也可由外部稳定度输高的电源提供。 CS 为片选端,低电平有效。 RD 、 W R 为读写控制端,低电平有效,在 W R 上升沿后约 100 us 转换完成。 中断请求信号 INTR 输出自动变为低电平, RD =0, 送出数字信号。 在 RD 的 上升沿出现后 INTR 又自动变为高电平。在 ADC0804的 8位数字输出端口各接一个发光二极管,通过发光二极管 的亮灭

19、就可以读出 ADC0804输出的二进制数据,从而显示出测量结果。 555振荡电路的设计同时见下图图 6 A/D转换与显示电路5:传感器电路的设计热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测理温 度的,在工业上被广泛地应用于测量中低温区(-200C 500C 的温度。 目前主工的热电阻有铂、 铜、 镍等, 为适应低温测量的需要, 还研制出川铟、 锰、碳等作为热电阻材料。铂热电阻 铂电阻在氧化性介质中,甚至在高温下,物理、化学性能比较稳定,因此, 它有很好的稳定性和测量精度,主要用于高精度的温度测量和标准测温装置中。铂电阻与温度的关系,在 0630.740C 以内为2(1 t R

20、C A t B t =+ (13 在 -1930C 00C 以内为2301(100 t R R At Bt C t t =+- (14式中 t R 是温度为 o t C 时的电阻值; 0R 是温度为 00C 时的电阻值; t 为任一温 度值; A 、 B 、 C 为分度系数, A=3.940 310-/ 0C , B=-5.84 710-/ 0C , C=-4.22 1210-/ 0C 。由上式可知, 要确定 0R 与 t 的关系, 首先要确定 0R 的数值。 在工业上将相应 于 0R =50 和 0R =100的 t R t的关系制成分度表, 称为热电阻分度表, 供读者 查阅。热电阻温度传感

21、器的连线方式热电阻由于温度高, 性能稳定等优点在工业测量中得到广泛应用。 但其缺点是 热惯性大,需辅助电源。另外,值得注意的是,流过热电阻丝的电流一般为 45mA,不能过大,否则会因为产生的热量过多而影响测量精度。由于热电阻的阻值很小, 所以以它的测量误差与其接线电阻有关。 如 50 的 铂电阻, 1 的导线电阻将产生 5 o C 的误差。一般为了降低导线的电阻影响。 如下图 7所示,实际温度测量中,常用电桥作为热电阻的车来那个电路。因此, 利用电桥接线法能精确的测量温度。 由于这种方法精确并且简单, 所以, 在工业 上用铂电阻测温时,几乎都是这种接线方法。 图 7:电桥接线法电阻电桥输出的电

22、压信号反应了两个输出端之间的电压信号看成是由差摸 信号 (两个输出端之间的信号变化 和共模信号 (每一个输出端静态时的对地电 压所组成。根据电路的基本构造,可以得到:341134552255o cc o cc R R U V R R R R R U VR R R +=+=+(15 当 温 度 为 0C桥 平 衡 时 有34512; 55, R R R R R R R +=为 温 度 变 化 引 起 阻 值 的 变 化 量 。 将 34512;, R R R R R +=带入上式可得250020125255(cc R R U U U V R R R R R =-=+ (16当 525R R R

23、<<+时有2500201225(ccR R U U U V R R =-+ (17即电桥输入电压与热电阻的变化量成正比,并且输出电压与 5R 之间是线性 关系。所以,在设计设计中一定要注意要满足 5R << 25R R +这一条件。 6:温度测量系统实现本系统的温度测量范围是 0100 0C ,通过查找铂热电阻分度表可知 Pt100热电阻的阻值变化范围应该是 100138.5 0C ,取 2R =7.5 0k C , 由式(17可得2500201225(025.67 (ccR R U U U V m V R R =-=+ (18为了保留一定的超调能力, 设温度为 100

24、时, ADC0804的输入电压为 3.75V , 则输出为“ 1100000” ,温度为 0时, ADC0804的输入电压为 0V ,则输出为 “ 0000000” 。由式(18可求出系统的放大倍数应调整为 146。 08,本系统中的 差分放大器的放大倍数调节范围是 88224,完全符合要求。值得注意的是滤波 电路的放大倍数为 1.57,调试时也须予以考虑,故在 ADC0804在输入端设计了 一个比例电路,这样可以提高系统调试的灵活性。为了减小直流电源对测量电路的影响, 在电桥的参考电压输入端设计了一个 跟随电路,从而进一步提高测量的稳定性和准确性。电路中多处使用了电容进行滤波。电容是一个能储

25、存电荷的元件。有了电 荷, 两极板之间就有电压 c QU C =。 在电容量不变时, 要改变两端电压就必须改变得越慢, 而电荷改变的速度, 取决于充放电时间的常数。 时间常数越大, 电荷 改变越慢,由电压变化也越慢,即交流分量越小,也就“滤除”了交流分量。本系统设计的二阶压控 LPF 的上截频为 0f =7.96 Hz ,有效地滤除了输入端 加入的 50Hz , 10mV 的正弦波干扰信号,系统能正常工作。整个电路图如下所示 上面的图依次为整个电路的原理以及 PCB 板上的图7:热敏电阻 pt100的介绍(1 pt100的原理,尺寸及物理特性M222 系列 薄膜铂电阻 PT100 或 PT10

26、00德国贺利氏(Heraeus 原装进口· 70 -500·100 或 1000 欧, DIN 铂电阻·A 级、 B 级·低价大包装M 系列是大规模使用的薄膜元器件。这些元器件具有特别 小的尺寸,长期稳定性很好,宽 家电, HVAC ,食品加工业、医疗行业。标称电阻 R0:100 欧 0执行标准 :DIN EN60751 A 级DIN EN60751 B 级技术指标:温度系数:TCR=3850ppm/K温度范围:B 级:-70 -500A 级:-50 -300电线:镀铂镍线 规范:DIN EN 60751(符合 IEC751尺寸:2.3mm×2

27、.1mm×0.9mm (长 ×宽 ×高线长 10mm长期稳定性:R0 漂移小于等于 0.04%(500, 1000 小时后抗振动等级:至少 40g 加速度(10-2000Hz 绝缘电阻:>100M, 20时>2M, 500时抗冲击等级:至少 100g 加速度(波动 8.5mS 后自热系数:0.4K /mW (0时响应时间:水 0.4m/s t0.5=0.05S t0.9=0.15S空气 2m/s t0.5=3.0S t0.9=10.0S环境条件:未保护时只能用于干燥环境包装:大包装 1000 件测量电流:PT100 0.3-最大 1.0mA(2 Pt1

28、00的结构图: 8.热敏电阻 mz2的介绍因为在实验中,实验室并没有 pt100,而用了 mz2来代替,所以这里介绍下 mz2。MZ2型节能灯软启动用热敏电阻器的主要特性参数见表,其外形及接线原理图分别见图 a 和图 b MZ2型节能灯软启动用热敏电阻器主要特性参数 MZ2型热敏电阻器接线原理图产品简介品 名:MZ2型 过流保护用 PTC 热敏电阻器应用范围 : 配线架、电动机、变压器特 性 :1. 影响电路常态工作2. 复性保护、反复保护3. 工作可靠注 意:也可根据用户要求调整性能指标。产 品 主 要 参 数·常温电阻值 R25 ·不动作特性 (温度 40摄氏度 +-2

29、 ·耐工频电流能力 注:耐压 250V 的 PTC 热敏电阻器对应项目 1耐压 300V 的 PTC 热敏电阻器对应项目 2·过电流动作特性(附图表·耐强电感应能力 注:耐压 600V 的 PTC 热敏电阻器或用在无初级保护线路上的 PTC 热敏电阻器要求检验此项目 ·耐冲击电流能力 注:用在初级过压保护后面的 PTC 热敏电阻对应项目 1用在初级过压保护后面的 PTC 热敏电阻对 ·耐工频电压能力 注:耐压 250伏的 PTC 热敏电阻器对应项目 1耐压 300伏的 PTC 热敏电阻器对应项目 2耐压 600伏的 PTC 热敏电阻器对应项目

30、3特性 :·用于过流保护作用而用通讯及交流电路中。 FEATURES:· Compact for telecommunicalion and AC circuit.使用环境条件 :·环境温度:-10 -+60·相对湿度:40%-75%(+40±2·大气压力:86-106KPa APPLICATION ENVIROMENTAL CONDITIONS:· Environmental tepmerature:-10 -+60· Relative humidity:40%-75%(+40±2· Atmo

31、sphere pressure:85-10KPa产品特点 FEATURESMZ2 系列 PTC 是一种自动保护,自动恢复,反复使用,无触点,无噪音,无火花的 “ 万次保 器 ” 。当 PTC 处于常态时,阻值很小,不会影响到变压器初、次级线圈等被保护电路的正常工作。当电路出现故障时, PTC 陡然发热,阻值聚增至高阻态,使电路 处于相对 “ 断开 ” 状态,保 护电路。主要应用 APPLICATIONS小型变压器初级线圈,充电器、通信设备程控交换机保安单元、雷电浪涌保护电路及线路的过流过 载保护电能表,数字万用表 RS485 接口专用的过流保护,数字万用表的过流保护,微电机、晶 体管的过流保护

32、9. 基本要求的实现实验中,我们按照实验的要求连接好电路后,因为是 mz2,其开关温度为 60多度,所以我们用加热的电烙铁去加热 mz2,并用示波器检测 A/D转换与显示电路的输入端电压 V ,在加热过程中,可见 V 从 0缓慢增加,但随后越来越快,并最后增加到 5v 不动了,而于此同时, A/D转换与显示电路的输出端接的 8个灯的亮暗发生了变化,从一开始的一个没亮变化到最后的全部都亮,说明热敏电阻的阻值发生了变化,反应了热敏电阻受到了加热。10. 提高要求的实现在基础实验做完后,我们在输入端加入了一个 50Hz , 10mv 的正弦波干扰信号,然后再次连接好电路,因为系统设计的二阶压控 LP

33、F 的上截频 f 适当,故有效的滤除了输入端加入的干扰信号,从而完成了提高要求。11. 故障及问题分析(1实验中我们用老师发的器件却无法做出相应的结果,也就是最后的输出老是固定不变,即 只亮一组不变的灯,后来经过我们的努力和老师的指导,我们发现原来老师在发器件时将 mz2 发成了 pt100,但并为和我们说明,而 mz2的物理特性与 pt100的差的很多,所以做不出相应的 结果,后来在上网查阅了 mz2的相关物理特性后并经过改良后终于做出了相应的结果。(2用 mz2中我们发现网上的资料上写的 mz2最低的开关温度都到达了 60,这让我们很郁 闷,这个用手摸肯定是没反应的,即使运放做的再大,后来

34、我们思量后并请教了老师,决定用 电烙铁来给 mz2加热,最后终于做出了正确的结果。12.总结和结论通过本次实验我了解并掌握了热敏电阻 pt100及 mz2的特性和使用方法,掌握并利用运算放大器组成仪用放大器,了解了模数转换电路的设计和实现方法,并进一步了解了电子系统设计的方法和基本步骤。 在此次实验中, 我从中了解了实验是要靠大家合作的硬道理, 特别是给我们发错实验器件后, 我们实验小组的4个人每天都在一起进行讨论,并上网查资料,终于在最后的期限内完成了该实验, 当时我才发觉原来团队的力量是无穷的。 当然, 从这个实验中我也学到了很多东西, 比如说热敏电阻的特性和使用方法啊等等, 都非常的宝贵, 让我的动手能力进一步加强了。13. 元器件清单IN4148: