综合气象观测论文

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