综合气象观测论文

设计课题：pt100铂电阻测温度仪器

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二○一一年六月二十日

摘要

热电阻具有测温围大、稳定性好和耐氧化等特点，在低温测量中占有重要的地位。本文介绍了一种利用89C51单片机并采用热电阻的线性温度测量装置。该装置由AD580、标准电阻、放大器、AD转换器、数据采集与处理系统、数码显示、串行输出端口等组成。利用恒流源和12位A/D转换器设计温度测量电路，完全消除了传统的不平衡电桥的非线性误差，减小热电阻的接触电阻和引线电阻对测量误差的影响。在程序存储器EPROM中存放电阻-温度分度表，采用信号比较的方式求出高精度的热电阻值，再根据热电阻值的大小查线性表求取对应的温度值，实现了真正意义上的线性化，大大减小了放大器温漂和非线性的影响，并且实现了热电阻全温度围的温度测量。该方法具有简单、实用、测量精度高、抗干扰能力强等特点。

关键词: 热电阻；温度测量；单片机；数码显示；串行输出；非线性；查表一、概述

温度测量已是很成熟的技术，温度敏感元件既有传统的热电阻、热电偶、热敏电阻等温度传感器，又有现代的集成温度传感器、数字温度传感器，还有超高温的光学温度传感器，其中热电阻测温方法以其测量围大、性能稳定、高精度、高灵敏度、安装使用方便等特点在中、低温测量中占有重要的地位。但热电阻输出与温度之间的非线性特性给精确测量带来诸多不便。热电阻测温时信号处理常用的方法是采用桥式测量线路、热电阻线性化处理等，其缺点是存在引线电阻。引线电阻随温度变化会产生附加误差,线性化处理比较繁琐且只能减少误差，而正反馈法非线性也依然比较严重。

本文论述了一种基于Pt100的线性测温装置，该装置在单片机的控制下，先

精确测出热电阻值Rt，在由Rt的值查热电阻分度表得出温度值，然后由串行端口输出，实现了真正意义上的线性化，且实现了热电阻全温度围的测量，并获得了较高的测量精度。

1、单片机的发展及在温度测量中的应用

单片机的应用几乎渗透到人类生活的每一个角落，对人类生活在不知不觉中产生巨大的影响。计算机控制已经越来越多的参与到自动控制领域，使各种控制仪表逐渐向智能化、集成化发展，出现了大批智能控制仪表，不但使过去以分立元件为主的自动控制仪表被以智能元件为主的智能仪表所代替，而且性能上也有了大幅度的提高，可以实现直接的数字化输出，与现场总线直接相连，实现真正的智能化、数字化、单元化，配合工业PC以及DCS系统，在工业控制领域发挥了极其重要的作用。单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，MCS-51系列单片机以其优越的性能，成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国单片机应用领域中的主流。

温度是气象观测中主要的被测对象之一，因此获得高精度的温度值是很有必要的。随着电子技术和微型计算机的迅速发展和广泛的应用，利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，通过软件对测量温度的校正使得测得的温度值更加精确，并得到日益发展和完善，越来越显示其优越性。

2、铂电阻的非线性分析

按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电阻Pt100在0～650 ℃围的符合ITS - 90 的国际分度表函数R ( t) 可用下式表示：

Rt = R

(1 + A t + Bt2) （1-1）

其中R

t , R

分别是t ℃和0 ℃时的铂电阻阻值, A = 3. 90802 ×10-3℃1 , B = -5.

80195 ×10-7

℃2

。

该分度函数的特点是温度覆盖围广、精度高,但随着温度的升高,铂电阻的非线性越来越严重. 可见,在-50℃～50 ℃测温围存在非线性项Bt 2 ,且为负值,因而电阻的变化率随着温度的升高而下降。因此在数据采集完后的处理中我们要对其误差进行补偿。

3、铂电阻的三线制接法

四线制铂电阻测温当然是消除引线影响的最佳方案,但对多路测温而言成本太高,工业上一般采用折衷的三线制铂电阻测温方案。

三线制接法补偿即将连接热电阻的两根导线分别置于两个桥臂中，当环境温度变化而使导线电阻值改变时它的影响得到抑制。由于每一路可减少一根导线，且对电路参数的调试要求不高，补偿了环境温度对测量的影响，而测量电路所用的均为普通器件。

由电路知：1

02)

(2r R R R R V V B t B t i ++-?=

（1-2）图1-1 铂电阻的三线制接法

式中： R t 为温度t 时铂电阻阻值； R B 为初始温度t 0时铂电阻阻值, R B=R t0,r t 为铂电阻引线电阻。

当r t 因环境影响变为r t1时有：

0t1

()22i t B t B V R R V R R r -=

?++（1-3 ） '000t1t

00t

2()2t B V V V r r V V R R r ?--==

++（1-4）

以长100m 、截面为1mm 2

铜导线为例，其电阻为)(72.110020Ω=?=ρr 。若

引线所处环境温度在20℃基础上变化±20℃（平均值）则有：

1t t t r r r tr α?=-=±

=0.00420 1.720.1376()±??=±Ω（1-5）

式中：α为铜电阻品均温度系数。

显然不论用硬件还是软件线性化处理, 铂电阻引线与环境温度变化带来的影响使不平衡电桥电路无法满足高精度测温要求。因此，本设计提出了相似的恒流源电阻/电压转换三线制铂电阻测量电路。这在后面作详细叙述。

二、系统硬件设计

1、硬件电路构成

硬件电路由温度传感器部分、数据采集处理部分和输出显示部分等组成。系统组成框图如下：

2、微型计算机的选择

本系统选用AT89C51作为CPU 。AT89C51是一种低功耗、高性能的片4KB 快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS 微控制器，其部有4 KB 的EEPROM,。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.。三级程序存储器锁定、128*8位部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片振荡器和时钟电路。利用89C51串行输出工作方式，使89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。89C51可直接与键盘进行扫描读数，可直接用串/并行转换模块74LS164驱动LED显示温度值。因其利用率高，负载重，后向电路只需加一块通向驱动器即可正常工作。在串行传输数据时，频率可达到1MHz,对温度的显示完全达到测控精度要求。与MCS -51微控制器产品系列兼容,使用高密度、非易失存储技术制造，存储器可循环写入/擦除1000次。AT89C51的引脚与8031相同。因此，不需要扩展即能满足要求。

3、热电阻的选择

热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的。铂虽属贵重金属但具有耐高温、使用寿命长，温度灵敏度高，对温度变化反应速度快，同时电阻温度特性好，便于分度和读数等特点因此采用铂热电阻作为温度测量元件,其型号为Pt100 ,测量围为- 200～+ 650 ℃。Pt100 型铂热电阻在0 ℃时的阻值为100Ω ,200 ℃时的阻值在170Ω左右。

4、放大电路

PT100铂热电阻一端输出的电压很小，如果直接与A／D转换器相连接，则转换数据偏差较大；所以本设计中将PT100铂热电阻一端输出的电压放大后再与进行A／D转换，这样就能得到较好的转换效果，如图2-2所示。放大器用的是AD8571AS。

4、A/D转换部分

4.1 ADC0808

为了保证合理的采样率,模- 数转换器可选用逐次比较式模- 数转换器，在本系统中选用的是AD574。它是美国模拟器件公司生产的12 位逐次逼近型快速的A /D 转换器。转换速度最大为25μS, 转换精度≤0.05% , 是目前我国市场上应用最广泛、价格适中的A /D 转换器。主机可以采用中断、查询或延时方式读取AD574的转换结果值。由于AD574 片包含高精度的参考电压源和时钟电路, 这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D 转换功能, 应用非常方便。

4.2 ADC0808与89C51的接口电路

A/D转换由集成电路0808完成，0808具有8路模拟输入端口，地址线（23～25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2μS宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换

数据从端口输出10脚为0808的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0808的A/D转换控制。

5、串口输出单元

串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数据格式由一位起始位，5～8位的数据位，一位奇偶校验位(可省略)和一位停止位四部分组成。在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率（通信协议）。

本设计中串行输出端口由MAX220完成，每数据包2个字节，波特率为9600，精确到0.1℃

5.1 MAX220

MAX220包含4个部分：双路电荷泵DC-DC电压转换器、RS-232驱动器、RS-232接收器，以及接收器与发送器使能控制输入。

1) 双路电荷泵

双路电荷泵将+5V转换为±10V (空载)，为RS-232驱动器提供工作电压。第一个转换器利用电容C1将+5V输入加倍，得到V+输出端C3上的+10V；第二个转换器利用电容C2将+10V转换为V-输出端C4上的-10V。

2) RS-232驱动器

如果负载是标称值为5kΩ的RS-232接收器，并且VCC =+5V时，驱动器输出电压摆幅的典型值为±8V。空载时驱动器输出电压围是(V+-1.3V)至(V- +0.5V)。输

MAX220

C1+V +

C1-C2+

C2-V-T2OUT R2IN

Vcc

GND T1OUT

R1IN R1OUT T1IN

T2IN R2OUT

12345678

16151413

1211109

入门限兼容于TTL 和CMOS 逻辑。在关断模式、三态模式，或器件电源被断开的情况下，驱动器输出关闭，并进入高阻状态，该状态下的漏电流通常只有几个微安(最大值为25μA)。输出可以被驱动到±15V 。在关断模式下，电源电流通常降至8μA 。MAX220不具备部上拉电阻，所以不能将未使用的驱动器输出强制为低电平，须将未使用的输入端连接至GND 或VCC 。

3)RS-232接收器

所有接收器都是反相的。输入门限设定为0.8V 和2.4V ，驱动器既响应TTL 电平输入，也响应EIA/TIA-232E 与V.28电平。接收器输入可以承受最高±25V 的过压输接电阻。接收器输入滞回

入，并提供标称值为5k Ω的输入端

的典型值为0.5V ，并可确保0.2V 最小值。这样，对于慢变化输入信号可以产生明确的输出跳变，即使是在有一定噪声和振

荡的情况下。接收器传输延时典型值为600ns ，与输入摆幅方向无

关。

图2-3 MAX220引脚配置

5.2 串行输出电路

图2-4 串行输出电路

6、LCD液晶显示电路

本设计系统采用的是并列传输方式，单片机控制与液晶显示接口电路如下图所示：

图2-5 LCD液晶显示电路

7、系统原理总图：

见附录一

三、系统工作流程

1、本铂电阻测温仪器在测量气象温度时，将铂电阻置于要测量的环境中，利用PT100的阻值随温度近似线性变换使得电桥不再等臂，从而电桥输出电位差。

2、电位差作为输入进入差模放大器中，通过调整反馈电阻与输入电阻的比值得到适当的放大倍数，方便下一步的模-数转换。

3、根据ADC0808的接线确定了放大信号的输入通道为通道0，信号经过A/D转换输出数字信号，送入单片机进行处理和显示及储存。

4、AT89C51是该仪器的核心部分，单片机将从A/D转换器输入数字信号进行处理，利用其存储器储存的PT100电阻值与温度对应关系表（见附录二），从

而对铂电阻桥路的信号进行非线性补偿，使得仪器的测量更加准确。然后单片机再将处理好的信号数值一方面存储到存储器EEPROM中，另一方面输出到LCD 液晶显示器上进行显示输出。

5、LCD液晶显示器将测得温度进行显示输出。

四、结论与心得

通过仿真，pt100铂电阻测温度仪器能够正常工作，效果比较好。在整个论文设计过程中，我从每一个细节入手，一点点积累，一步步理解攻破，从中不仅加强了对气象方面的兴趣，而且对我在单片机等科目达到了学以致用，加强了对书本容的进一步理解，对于单片机学习起到了良好的促进作用。另外，我得出一个道理：努力的过程需要坚持，缺少每一步都不可能将目标完整的实现；实践的过程需要细心，只有细致效率才更高，才能将每个步骤完美的完成。

参考文献

[1]育才MCS-51系列单片微型计算机及其应用．第四版2004

[2]希民. 一种基于热电阻的线性温度测量装置的研制[J].：石油化工高等学校学报、2007第20卷(增刊)、83-86

[3]文诚一种铂电阻高精度测温方法[J].传感器技术2003第22卷第11期

附录一：

附录二：电阻/温度表，pt100铂电阻，0°C时为100.0Ω