基于Pt100的电子温度表设计

　第25卷第4期杭州电子科技大学学报

V ol.25,N o.4 2005年8月

Journal of Hangzh ou Dianzi University

Aug.2005　

基于Pt100的电子温度表设计

陈德龙,秦会斌

(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018)

收稿日期:2005-07-01

作者简介:陈德龙(1981-),男,安徽霍邱人,本科毕业生,电子科学与技术.

摘要:阐述了电子温度表组成部分的基本构成和工作原理。采用铂电阻Pt100作为温度传感器件,对Pt100电阻-温度曲线关系进行测定,由测定结果得出Pt100的电阻-温度函数关系。利用铂电阻的温度—电阻特性,将温度信号直接转化为电信号,再通过单片机控制程序,将电信号转化为数字信号,再将其温度值在显示器上显示出来,从而实现对于温度的测量。电子温度计的检测范围为-40℃～120℃。

关键词:单片机;铂电阻;电子温度表

中图分类号:T N202 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2005)04-0042-04

0　引　言

传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。无论在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面,温度测量和控制都是极为重要的课题。随着电子技术和材料科学的发展,对各种新型的热敏元件及温度传感器要求结构先进、性能稳定,以满足对温度测控技术提出的越来越高的要求[1]。本次设计的主要目的是设计出价格低廉的而精度相对较高的民用的基于单片机的电子温度表,所以在设计产品方案时,重点考虑元器件价格、功耗以及精度等诸多方面问题。

1　系统组成原理

电子温度表中温度感应模块将温度变化转化为电量变化,通过AD 转换得到数字量,传输至单片机控制模块进行处理,最后处理后的温度数据通过显示模块显示,其组成原理图如图1所示

。

图1　电子温度表组成框图

2　Pt100电阻—温度曲线的测定

本文采用铂电阻pt100温度传感器来测量温度的变换。铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成

一定函数关系而制成的温度传感器[2、3]。由于铂电阻的特性曲线是非线性的,标准的电阻与温度关系

是以分度表的形式给出的。同时用电阻—温度多项式函数R (T )表示。在实际测量中,本文采用使用温度—电阻函数T (r )更便于测量与计算。

Pt100铂电阻的测温范围是-200℃～600℃,在0℃时电阻为100Ω。首先需要测试Pt100的温度—电阻变化关系,从而得到它们的函数表达式。已知Pt100的电阻—温度关系曲线是非线性的,所以必须采用一种近似。利用现有的条件和尽可能简单的仪器准确测得所需要的数据,本文所采用的测试方式如下:

(1)将所要测量的温度范围划分为3段以方便测量。1)-40℃～27℃;2)0℃～80℃;3)27℃～120℃。

为了避免在第1段和第3段中接近常温的时候误差较大,其中温度有一部分是重复测量的,目的是使测得的结果尽可能的准确;

(2)每隔2℃测得一个电阻值,这样误差比较小也比较便于记录;

(3)将记录的数据画成变化曲线,观察曲线的变化趋势,得出最合适的近似。近似直线就将函数采

用T =T 0-K VT 的形式;近似二次曲线就采用二次函数近似或者采用指数函数,这些都要根据实际测得的曲线而定;

(4)将Pt100的电阻—温度关系转换为温度—电压关系函数。

具体测试步骤如下:

(1)-40℃～27℃的温度测量。测试工具采用液氮、泡沫箱、Pt100、校准好的铂电阻、万用表以及导

线若干。测试时取出液氮,放入泡沫箱中,将Pt100和校准好的铂电阻放入箱中,并分别外接万用表,密封好,缓慢放出氮气,分别记录2个万用表的数据变化情况。由校准好的铂电阻的电阻值得到温度值,从而得到Pt100的温度—电阻变化关系。所需时间约为4h ;

(2)0℃～80℃。将Pt100放入冰水中,注意不要短路。Pt100的电阻是100

Ω,在烧杯中非常缓慢的注入热水,每2℃记录一次电阻变化值。所需时间为4h 。注意事项。缓慢升温,不要短路;

(3)27℃～120℃的温度测量。将温度表从恒温箱顶端插入到恒温箱中间,不要接触四壁,将Pt100

外接好万用表后放入恒温箱中,使电阻靠近温度计的顶端。缓慢加热,使恒温箱中的温度缓慢上升,每隔2℃测得一个电阻值。在温度加热到120℃后,使其自然冷却,再次每隔2℃测得一个电阻值,直至27℃,将得到两组数据求平均值。所需时间为5～7h 。

测试的温度—电阻关系数据如表1所示。经计算得,上述表格中电阻和温度的关系近似满足: R =100+0.4T (1)

再由实验电路可以得知: V T =5R/(2000+R )(2)可得:

T =(2100V T -500)/(2-0.4V T )

(3)在实际的程序中,为了编程的方便,采用了近似的函数如: T =T 0+kV T

(4)式4具有表达简单,使用方便的优点,但式4使用的同时给整个测试系统的精度带来了一定的误

差。

4第4期陈德龙等:基于Pt100的电子温度表设计

44 杭州电子科技大学学报 2005年

表1　Pt100的R—T关系表

温度

电阻值(Ω)

(℃)

-3088.0487.6487.2486.8486.4486.0485.6385.2384.8484.43

-2098.0497.6497.2496.8496.4490.0489.6489.2488.8488.44

-1098.0395.6395.2394.8394.4394.0393.6393.2392.8492.44

-0100.0099.6099.2198.8198.4198.0197.6297.2296.8296.42

0100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.57

10103.96104.36104.75105.15105.54105.94106.33106.73107.12107.52

20107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.46

30111.85112.25112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.39

40115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.31

50119.70120.09120.48120.87121.26121.65122.04122.43122.82123.21

60123.60123.99124.38124.77125.16125.55125.94126.33126.72127.10

70127.49127.88128.27128.66129.05129.44129.82130.21130.60130.99

80131.37131.76132.15132.54132.92133.31133.70134.08134.47134.88

90135.24135.63136.02136.40136.79137.17137.56137.94138.32138.72

100139.10139.49139.87140.26140.64141.02141.41141.79142.18142.66

110142.95143.33143.71144.10144.48144.86145.25145.63146.01146.40

120146.78147.16147.55147.9314831148.69149.07149.46149.84150.22

3　电子温度表硬件设计

由Pt100热敏电阻和模数转换芯片ADC0809组成信号采集电路,热敏电阻的阻值变化产生相应的电压信号的变化,变化的电压信号通过ADC转换成为数字信号。将ADC采集到的电压值输入单片机,单片机根据热敏电阻与温度的:电阻—电压—温度的对应关系,进行转换处理,计算出相应的温度值。温度值通过LC D进行显示,如图2所示。

4　电子温度表软件设计

当ADC的输出有效时,触发单片机的外部中断,读入电压数据。然后对数据进行格式转换、查表、函数换算等处理,得到温度值[4]。LC D显示程序用于显示温度值,如图3所示。

5　结束语

通过对于本课题的研究,成功设计出了一种基于铂电阻Pt100的电子温度测量工具。它具有原理简单、性价比高、操作简单等特点。由于设计本身的特点,温度计存在一定的误差。总结其原因,主要有以下几个方面:

(1)在进行温度—电阻关系测量时,热敏电阻的温度变化较快,而温度计的显示变化较慢,导致读数的误差。这就使得进行电阻—电压—温度换算时产生误差;

(2)所采用的分压电阻应该为2kΩ,而实际的电阻有一定的误差,由于铂电阻Pt100的电阻变化范围在80Ω至150Ω之间,实际的分压值不等于计算的分压值,产生误差;

图2　硬件模块图3　软件流程图

(3)实验所采用的电压源并不是精确的5V 电压,影响数据采集精度;(4)在函数计算的过程中存在一个尾数的取舍问题,导致一定的误差。

根据以上分析,可在下面几方面进行改进:

(1)采用灵敏度很高的已校准的热敏电阻代替温度计;(2)尽可能的延长测量时间和增加测量次数,以减小误差;(3)采用高准确度的器件。

注:秦会斌为指导老师。

参考文献

[1]　马净,李晓光,宁伟.几种常用温度传感器的原理及发展[J ].中国仪器仪表,2004,24(6):1-2.[2]　王红萍.铂电阻温度传感器测温研究[J ].抚顺石油学院学报,2003,23(2):17-19.

[3]　俞阿龙,李正.热敏电阻温度传感器的一种线性化设计[J ].工业仪表与自动化装置,2003,28(5):8-9.[4]　李广第,朱月秀,王秀山.单片机基础[M].北京:北京航空航天出版社,2003.11-112.

E lectronic Thermometer Design B ased on Pt 100

CHEN De 2long ,QIN H ui 2bin

(School of Electronic &Information ,Hangzhou Dianzi University ,Hangzhou Zhejiang 310018,China )

Abstract :The fundamental constitute and w orking elements of electronic therm ometer was elaborated.Making use

of the tem perature and resistance characteristic of the Pt100,tem perature signal was converted to electric signal firstly.Then the electric signal was trans formed to digital signal and displayed in LC D with control program of MC U.The electronic therm ometer can detect tem perature from -40℃to 120℃。K ey w ords :MC U ;platinum resistor ;electronic therm ometer

4第4期陈德龙等:基于Pt100的电子温度表设计