4温度检测电路设计与调试解析

6.1 工作任务

【项目名称】温度检测电路设计与调试

【功能要求】

设计一个简单的由恒流源、Pt100铂电阻传感器、信号调理电路、A/D转换等电路等相关元器件构成的温度检测电路，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。

【设计要求】

1. 以温度传感器PT-100作为温度变化的敏感元件，它利用阻值随温度而变化的特性来测量温度；

2. 通过运放构成1毫安恒流源，将Pt100加在恒流源上实现恒温检测；

3. 把当前PT100热电阻传感器的电阻值转换为容易测量的电压值，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统。

4．利用Proteus仿真软件完成仿真电路输入、仿真和调试；

5. 完成整个设计的实际电路连接。

6.4 任务实施

6.4.1 项目设计概况

本设计系统主要包括Pt100恒流源驱动电路、信号调理电路、A/D转换电路等三部分，结构示意图如图6-20所示。选用精密电压源和高性能集成运放构成的恒流源驱动电路为铂电阻Pt100提供1mA电流源，把当前PT100热电阻传感器的电阻值转换为容易测量的电压值，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统。

图6-20 温度检测电路系统示意图

6.4.2 Pt100恒流源驱动电路设计与仿真

（1）电路设计

Pt100恒流源驱动电路包括恒流源驱动电路、Pt100铂电阻传感器的四线制接口两部分。

1）恒流源电路

运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，

温度传感器两端的电压即反映温度的变化，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图6-21所示。

图6-21 由运放构成的恒流源电路

放大器选用低温漂、低偏置、低功耗高精度双通道运算放大器OP200P，U1构成加法器，U2构成跟随器。设电阻R5（R ref）的上下电压为V a、V b，Va即为U1的输出，当电阻R1=R2=R3=R4=R0时，则V a=V ref+V b，故恒流源的输出电流：

I=（V a-V b）/R ref=V ref/R ref

从上式可以看出，由于R ref为恒定值，该电流大小只与参考电压V ref有关。

2）Pt100铂电阻传感器的四线制接口

pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。Pt100分度表见表6-3所示。

530 290.92 291.25 291.58 291.91 292.24 292.56 292.89 293.22 293.55 293.88 540 294.21 294.54 294.86 295.19 295.52 295.85 296.18 296.5 296.83 297.16 550 297.49 297.81 298.14 298.47 298.8 299.12 299.45 299.78 300.1 300.43 560 300.75 301.08 301.41 301.73 302.06 302.38 302.71 303.03 303.36 303.69 570 304.01 304.34 304.66 304.98 305.31 305.63 305.96 306.28 306.61 306.93 580 307.25 307.58 307.9 308.23 308.55 308.87 309.2 309.52 309.84 310.16 590 310.49 310.81 311.13 311.45 311.78 312.1 312.42 312.74 313.06 313.39 600 313.71 314.03 314.35 314.67 314.99 315.31 315.64 315.96 316.28 316.6 610 316.92 317.24 317.56 317.88 318.2 318.52 318.84 319.16 319.48 319.8 620 320.12 320.43 320.75 321.07 321.39 321.71 322.03 322.35 322.67 322.98 630 323.3 323.62 323.94 324.26 324.57 324.89 325.21 325.53 325.84 326.16 640 326.48 326.79 327.11 327.43 327.74 328.06 328.38 328.69 329.01 329.32 650 329.64 329.96

330.27

330.59

330.9 331.22

331.53

331.85

332.16

332.48

660

332.79

PT100热电阻有二线制，三线制，四线制，其接线主要有三种方式：

二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制，这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r ，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的方式。

四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I ，把R 转换成电压信号U ，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效消除这种影响。二线制和三线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值，本电路采用是四线制接法。

（2）电路仿真

Pt100恒流源仿真电路如图6-22所示，单击仿真开关“

”，电路进入仿真模式，通

过电流探棒U2（POS-IP ）可以看出，该电路可以实现1mA 恒流输出。

R1

10k

+5V

R2

10k

R4

10k

R3

10k

R5

5k

+12V

-12V

-12V

+12V

32

1

8

4

U1

OP200P

3

2

1

8

4

U2

OP200P

U2(POS_IP)

I=0.00100001