基于鉑電阻的溫度測(cè)量電路的研究與設(shè)計(jì)

舒 望

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

目前，用于溫度測(cè)量的裝置，其結(jié)構(gòu)主要由溫度傳感器、主機(jī)模塊、顯示電路等部分組成。其溫度傳感器主要采用熱敏元件和數(shù)字式器件，采用熱敏元件的溫度測(cè)量裝置，雖然傳感器價(jià)格便宜，但分辨率比較低，一般只能達(dá)到0.1℃左右；采用數(shù)字式器件的溫度測(cè)量裝置，不僅電路簡(jiǎn)單，且分辨率較熱敏元件有所提高，一般能達(dá)到0.06℃左右。但在某些分辨率要求更高的工業(yè)控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、航空航天等場(chǎng)合，該數(shù)字式器件的溫度測(cè)量裝置就不能滿足要求了。因此，找到一種高精度的熱敏元件，配合相應(yīng)的電路及控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的溫度測(cè)量，對(duì)現(xiàn)有的溫度測(cè)量電路進(jìn)行改進(jìn)是非常有必要的。

1 鉑電阻的測(cè)溫原理

圖1 溫度測(cè)量電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of temperature measurement circuit

鉑電阻是用真空沉積的薄膜技術(shù)把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2μm 以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料把Ni（或Pd）引線固定，經(jīng)激光調(diào)阻制成薄膜元件。它的電阻值會(huì)隨溫度變化而變化，通過測(cè)量其電阻值推算出被測(cè)物體的溫度。電阻值與溫度的變化成正比的，稱之為正溫度系數(shù)，與溫度成反比的，稱之為負(fù)溫度系數(shù)。鉑電阻在冰點(diǎn)0℃時(shí)的電阻值稱為標(biāo)稱電阻，常用的阻值有200Ω、500Ω、1000Ω。如型號(hào)為PT1000 的鉑電阻，它是標(biāo)稱電阻為1000Ω 的正溫度系數(shù)鉑電阻。本設(shè)計(jì)為了提高溫度測(cè)量的精度，采用阻值大的PT1000，它的溫度特性曲線幾乎為一條直線，具有很好的線性。利用鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，只需要對(duì)其電阻值進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)它的阻值-溫度對(duì)應(yīng)表就可以通過查表的方式得到具體的溫度。因此，溫度的測(cè)量就轉(zhuǎn)化成電阻值的測(cè)量了[1,2]。

進(jìn)行鉑電阻的阻值測(cè)量可讓1mA 的恒流源為其供電。當(dāng)電流流過電阻時(shí)就會(huì)在它的兩端產(chǎn)生電壓，再通過測(cè)量鉑電阻的電壓值，根據(jù)歐姆定律就可以計(jì)算出鉑電阻的電阻值。設(shè)定恒流源的輸出電流為1mA，當(dāng)鉑電阻的電阻值跟隨溫度發(fā)生變化時(shí)，由于恒流源的電流恒定不變，鉑電阻兩端的電壓也會(huì)跟隨電阻同比例變化。由于PT1000 的標(biāo)稱電阻為1000Ω，而恒流源的電流為1mA，在溫度為0℃時(shí)鉑電阻兩端的電壓為1V。

2 溫度測(cè)量電路基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 的測(cè)量模型，溫度測(cè)量電路通過恒流源，將電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化后，在電路中設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)中，通過單片機(jī)的計(jì)算就可以轉(zhuǎn)換成溫度值，電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示[3]。

鉑電阻轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)獲得鉑電阻的電壓值后，通過計(jì)算獲得當(dāng)前溫度下的電阻值，再通過查表的方式測(cè)量出溫度值。電路中數(shù)碼管的作用是溫度值的顯示，電源電路為電路各部分提供所需的電壓。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度數(shù)字信號(hào)相關(guān)電路設(shè)計(jì)

本部分電路包括圖3 所示電路中的恒流源、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，具體的電路如圖2 所示。

如圖2 所示，本設(shè)計(jì)中恒流源的輸出電流只需要1mA，采用精密穩(wěn)壓器CJ431 實(shí)現(xiàn)恒流源，電路的輸出電流約等于1mA，CJ431 的電壓恒定在2.495V，忽略電阻的溫漂，輸出電流就可以恒定，達(dá)到恒流的效果。電路中電位器Rw2 的作用是調(diào)試時(shí)調(diào)節(jié)輸出電流，使其大小在1mA。

圖2 溫度數(shù)字信號(hào)相關(guān)電路Fig.2 Temperature digital signal related circuit

信號(hào)調(diào)理電路的作用是利用差分輸入的方式將鉑電阻兩端的點(diǎn)位轉(zhuǎn)換成電壓輸出，并對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入進(jìn)行隔離。圖3 中集成運(yùn)放U7A 構(gòu)成差分輸入的減法運(yùn)算電路，同相端和反相端分別連接鉑電阻的兩端，差分輸入的方式既能提高共模抑制比，高輸入阻抗又能避免后級(jí)放大電路對(duì)恒流源的影響，放大器引入負(fù)反饋能提高電路的穩(wěn)定性。集成運(yùn)放U7B 構(gòu)成電壓跟隨器，其高輸入阻抗和低輸出阻抗，能實(shí)現(xiàn)隔離和緩沖的作用。

由于帶測(cè)量的溫度變化速率較慢，因而可以選用轉(zhuǎn)換速率較低的A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）器件，既能夠降低成本，又提高了電路的穩(wěn)定性。為提高溫度測(cè)量值的精度，選用分辨率較高的16 位A/D，綜合考慮以上性能要求后，本設(shè)計(jì)選用ADI 公司的AD7981。AD7981 是一款16 位的SPI 總線接口低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中模擬電壓采用單極性輸入的方式，因此A/D 器件的差分輸入反相端接地，帶轉(zhuǎn)換信號(hào)從同相端輸入。A/D 器件的參考電壓與電源電路的模數(shù)參考電壓電路相連，本電路的參考電壓為5V。

本設(shè)計(jì)A/D 轉(zhuǎn)換電路根據(jù)輸入模擬電壓的范圍，參考電壓采用5V，通過CJ431 精密穩(wěn)壓器獲得5V 的精密基準(zhǔn)電壓。

3.2 單片機(jī)及數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

圖3 單片機(jī)及數(shù)碼管顯示電路Fig.3 SCM and digital tube display circuit

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)主要完成數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、A/D 轉(zhuǎn)換控制功能，而A/D 轉(zhuǎn)換器件采用的SPI 總線與單片機(jī)相連，設(shè)計(jì)中對(duì)單片機(jī)I/O 資源需求較小，且顯示和A/D 控制對(duì)控制器的要求較低，本項(xiàng)目選用成本較低、性能穩(wěn)定的AVR 單片機(jī)。數(shù)碼管顯示電路的作用是完成溫度值的顯示，本設(shè)計(jì)采用顯示亮度高、性能穩(wěn)定的數(shù)碼管作為顯示器件。顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，具體電路如圖3 所示。

如圖4 所示，顯示電路中數(shù)碼管的字形碼端與單片機(jī)的PD 端口相連，數(shù)碼管采用共陽型在單片機(jī)PC 端口的控制下，由PNP 型三極管采用低電平的方式驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)的時(shí)鐘采用外接晶振的方式，具有穩(wěn)定、精確的特點(diǎn)。數(shù)碼管顯示電路由單片機(jī)的PC 和PD 端口控制，A/D 轉(zhuǎn)換電路由單片機(jī)自帶的SPI 接口控制，可以降低程序編寫的難度。

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中電源電路的種類較多，分別有5V、2.5V、±12V。單片機(jī)采用5V 供電，通過外接交流變壓器，通過整流、濾波后，采用三端穩(wěn)壓器LM1117-5.0 實(shí)現(xiàn)5V 的穩(wěn)壓，由其給單片機(jī)和其他電路供電。A/D 轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字部分采用2.5V 供電，本設(shè)計(jì)將5V 通過，三端穩(wěn)壓器LM1117-2.5 實(shí)現(xiàn)2.5V 的穩(wěn)壓，具體的電路如圖4 所示。

本設(shè)計(jì)集成運(yùn)放采用±12V 的雙電源供電，通過外接交流變壓器降壓、整流、濾波，三端穩(wěn)壓器MC7812、MC7912 穩(wěn)壓的方式實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flowchart

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的控制主要有A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示，對(duì)A/D 的控制通過單片機(jī)的SPI 總線實(shí)現(xiàn)，具體的控制流程如圖5 所示。

5 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)的基于鉑電阻的溫度測(cè)量電路，通過鉑電阻的線性溫度特性來感知溫度，通過恒流源為鉑電阻供電，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，再通過A/D 器將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而測(cè)量出相應(yīng)的溫度。由于PT1000 阻值范圍較大，配合高分辨率的A/D 器件，使得本設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量電路具有精度高、測(cè)溫范圍高的特點(diǎn)。