PT100鉑熱電阻溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

     無論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、國防和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，溫度測量和控制都是極為重要的課題。溫度測量系統(tǒng)在單片機系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用廣泛，根據(jù)單片機系統(tǒng)設(shè)計要求的不同，溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。本系統(tǒng)選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號采集元件，來進行溫度測量系統(tǒng)設(shè)計。

1 基本工作原理

      PT100鉑熱電阻的阻值隨著溫度的變化而變化，利用這一特點來采集溫度信號，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并由單片機系統(tǒng)讀??；單片機系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號進行識別處理，并換算成與溫度對應(yīng)的數(shù)字信號，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。

2 硬件設(shè)計

      硬件組成主要包括恒流源電路、電壓放大、A／D轉(zhuǎn)換接口電路、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個組成部分。

2.1 恒流源電路

      恒流源電路如圖1所示。其中芯片OP07為運算放大器，它和5個電阻組成恒流源電路，在VIN+處輸出1 mA的工作電流。圖中DGND=5 V，VMC=0 V，有4個節(jié)點分別是NET1，NET2，NET3，NET4。設(shè)流過R110的電流為Ia，流過R114的電流為Ib，單位為mA，方向都向右。

則根據(jù)運放的虛斷和虛短，則有方程：

DGND-(R111+R110)×Ia+R114×Ib-R113×((DGND-R111×Ia)／R112)-(VDGND-R111×Ia)=0

代入數(shù)據(jù)，有：

5-(10+1)×Ia+1×Ib-2×((5-10×Ia)／10)-(5-10×Ia)=0

可算得Ia+Ib=1，而Ia+Ib即為所求電流I，為1 mA。

根據(jù)方程，可知要得到Ia+Ib為常數(shù)，必須滿足：

R113×R111／R112-R110=R114

所以，這個電路成為恒流源的條件是：

R111／R112=(R110+R114)／R113

如果R111=R112則必須R110+R114=R113，此時，恒流值為I=DGND×R113／R112／R114。

其中J110用于連接PT100鉑熱電阻。

2.2 電壓放大及A／D轉(zhuǎn)換接口電路

      PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小，如果直接與A／D轉(zhuǎn)換器相連接，則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)偏差較大；所以本設(shè)計中將PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓放大10倍后與電壓跟隨器相連接，再進行A／D轉(zhuǎn)換，這樣就能得到較好的轉(zhuǎn)換效果，如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準(zhǔn)芯片MC1403組成放大電路，VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值；WIN-為基準(zhǔn)電壓源MC1403輸出的電壓值；VOUT為放大后的輸出電壓值。計算公式為：VOUT=G×((VIN+)-(VIN-))，其中G的大小由電阻R120來決定，G=1+50 kΩ／R120。芯片OPA277與外圍電阻組成電壓跟隨器。

      選用雙積分型3(1／2)位的MC14433芯片A／D轉(zhuǎn)換器(相當(dāng)于11位二進制數(shù))，MC14433采用動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼輪流地在Q0～Q4端輸出，同時在DS1～DS4端出現(xiàn)同步字位選通信號。如圖3所示。

      MC1403集成精密+2.5 V電壓源經(jīng)電位器分壓后作為A／D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。MC14433的DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器。EOC是A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號。單片機在讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果時，可以采用中斷方式或查詢方式。為使單片機能忙于其他任務(wù)，本設(shè)計系統(tǒng)采用中斷方式。DU端與EOC相連后經(jīng)光耦連至單片機的INT1端。

      在MC14433上電后，即對外部模擬輸入電壓信號進行A／D轉(zhuǎn)換，由于EOC與DU端相連，每次轉(zhuǎn)換完畢都有相應(yīng)的BCD碼及相應(yīng)的選通信號出現(xiàn)在Q0～Q4和DS1～DS4上。當(dāng)單片機開放中斷，允許INT1中斷申請，并置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，在執(zhí)行中斷程序后，每次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，都將把A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入片內(nèi)RAM中。

      電壓信號經(jīng)過MC14433A／D轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)光耦隔離電路傳送給單片機，單片機處理后由液晶顯示器輸出溫度值。

2.3 光耦隔離電路

      為使輸入信號準(zhǔn)確無誤，在I／O口擴展芯片8255與A／D轉(zhuǎn)換部分采用光耦進行隔離。A／D轉(zhuǎn)換作為模擬量輸人部分，采用獨立模擬電源和模擬地。單片機及I／O口擴展芯片8255作為數(shù)字部分采用獨立數(shù)字電源和數(shù)字地，減少外部輸入對單片機的影響。Q0～Q4和DS1～DS4用2片TLP521-4進行隔離后連接至擴展芯片8255C口上，電路如圖4所示。

2.4 單片機控制與液晶顯示接口電路

      本設(shè)計選用的是128×64點陣的OCMJ4×8C中文液晶圖形顯示模塊。C系列中文模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，與傳統(tǒng)的圖形點陣液晶顯示模塊相比，單片機硬件接口電路以及軟件編程比較簡單，內(nèi)置2 Mb中文字型ROM(CGROM)總共提供8 192個中文字型，可節(jié)省大量單片機設(shè)計的ROM空間，可更多地顯示漢字字符的數(shù)量，更加發(fā)揮了液晶顯示技術(shù)在單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用。OCMJ4×8C模塊非常適用于顯示漢字信息量較大的智能儀器儀表系統(tǒng)及家用電器?？刹捎?位并列接口傳輸訊號及串行接口與串行傳輸資料2種資料傳輸方式。本設(shè)計系統(tǒng)采用的是并列傳輸方式。單片機控制與液晶顯示接口電路如圖5所示(J91和J11用于連接液晶顯示器)。

3 軟件設(shè)計及程序流程圖

      軟件設(shè)計主要分為主程序、INT0外部中斷子程序、液晶顯示子程序。主程序完成對中斷的初始化、等待外部中斷的查詢結(jié)果、調(diào)用顯示子程序。INT0外部子程序完成對溫度測量數(shù)據(jù)的讀取。顯示子程序完成液晶顯示器的初始化及顯示溫度值。程序流程圖如圖6所示。

      在單片機讀取A／D轉(zhuǎn)換后的BCD碼時，為了避免讀取不正確數(shù)值，在軟件編程時采用對數(shù)據(jù)多次采樣的方法，即在一定的時間內(nèi)，連續(xù)讀取BCD碼，全部為一樣的數(shù)值時才作為正確的數(shù)值接收，否則視為不正確數(shù)值而被忽略，這樣可以有效地保障在顯示器上輸出的溫度值連續(xù)變化，而不發(fā)生干擾性的跳動。由于PT100鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的，所以在軟件編程時進行了線性擬合，阻值(R)與溫度(T)的關(guān)系式為T=2.469R+27.2，其中電阻R的單位是Ω；T的單位是K。

4 結(jié) 語

      在溫度測量系統(tǒng)設(shè)計中，PT100鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統(tǒng)不但可以檢測室內(nèi)的氣體溫度，還可以檢測土壤、液體、種子等內(nèi)的溫度，大大提高了溫度測量系統(tǒng)的適用范圍，且采用PT100鉑熱電阻為溫度采集元件，可有效地降低開發(fā)成本。而且在設(shè)計中所采用的MCl4433A／D轉(zhuǎn)換器，雖然轉(zhuǎn)換速度慢，但具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高，在不要求高速轉(zhuǎn)換的溫度控制系統(tǒng)中，則被廣泛采用。A／D轉(zhuǎn)換部分與單片機控制系統(tǒng)完全采用光耦進行隔離，在降低干擾信號對單片機控制系統(tǒng)的影響方面起到重要的作用。另外在設(shè)計中所采用的OCMJ4×8C液晶顯示器，其與單片機硬件連接相當(dāng)簡單，無需其他外圍器件，即節(jié)省了元件又使設(shè)計簡單化。本溫度測量系統(tǒng)電路設(shè)計簡單方便、實用性好、電路工作穩(wěn)定、可靠性高。