PT100鉑熱電阻溫度測量系統的設計

無論在工業、農業、科學研究、國防和人們日常生活的各個方面，溫度測量和控制都是極為重要的課題。溫度測量系統在單片機系統設計中應用廣泛，根據單片機系統設計要求的不同，溫度測量系統的設計也有所不同，有採用集成晶片的，也有採用恆流源器件和恆壓源器件的。本系統選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號採集元件，來進行溫度測量系統設計。

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，利用這一特點來採集溫度信號，將採集到的信號轉換成電壓信號；再經過A／D轉換成數位訊號並由單片機系統讀取；單片機系統把讀取到的數位訊號進行識別處理，並換算成與溫度對應的數位訊號，最後再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。

2 硬體設計

硬體組成主要包括恆流源電路、電壓放大、A／D轉換接口電路、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個組成部分。

2.1 恆流源電路

恆流源電路如圖1所示。其中晶片OP07為運算放大器，它和5個電阻組成恆流源電路，在VIN+處輸出1 mA的工作電流。圖中DGND=5 V，VMC=0 V，有4個節點分別是NET1，NET2，NET3，NET4。設流過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

代入數據，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。

根據方程，可知要得到Ia+Ib為常數，必須滿足：

R113×R111／R112-R110=R114

所以，這個電路成為恆流源的條件是：

R111／R112=(R110+R114)／R113

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

其中J110用於連接PT100鉑熱電阻。

2.2 電壓放大及A／D轉換接口電路

PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小，如果直接與A／D轉換器相連接，則轉換數據偏差較大；所以本設計中將PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓放大10倍後與電壓跟隨器相連接，再進行A／D轉換，這樣就能得到較好的轉換效果，如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準晶片MC1403組成放大電路，VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值；WIN-為基準電壓源MC1403輸出的電壓值；VOUT為放大後的輸出電壓值。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。晶片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晶片A／D轉換器(相當於11位二進位數)，MC14433採用動態掃描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電壓源經電位器分壓後作為A／D轉換的基準電壓。MC14433的DU端與EOC端相連，以選擇連續轉換方式，每次轉換結果都送至輸出寄存器。EOC是A／D轉換結束的輸出標誌信號。單片機在讀取A／D轉換結果時，可以採用中斷方式或查詢方式。為使單片機能忙於其他任務，本設計系統採用中斷方式。DU端與EOC相連後經光耦連至單片機的INT1端。

在MC14433上電後，即對外部模擬輸入電壓信號進行A／D轉換，由於EOC與DU端相連，每次轉換完畢都有相應的BCD碼及相應的選通信號出現在Q0～Q4和DS1～DS4上。當單片機開放中斷，允許INT1中斷申請，並置外部中斷為邊沿觸發方式，在執行中斷程序後，每次A／D轉換結束時，都將把A／D轉換結果送入片內RAM中。

電壓信號經過MC14433A／D轉換後，再經光耦隔離電路傳送給單片機，單片機處理後由液晶顯示器輸出溫度值。