铂热电阻设计

目录

引 言 .............................................................. 1 第一章 热电阻概述 .................................................. 1

1.1 铂电阻 ...................................................... 1 1.2 铂热电阻的非线性 ............................................ 2 第二章 系统硬件电路模块设计 ........................................ 3

2.1电源电路..................................................... 3 2.2 CPU简介..................................................... 3 2.3AD570转换器简介.............................................. 5 2.4铂电阻电桥电路............................................... 6 2.5 扩展I/O接口 ................................................ 7 第三章 系统误差来源分析 ............................................ 8

3.1内引线误差分析............................................... 8 3.2 连接导线误差分析 ............................................ 8 结 论 .............................................................. 9 参考文献 .......................................................... 11

引 言

在工业上广泛应用电阻温度计来测量-200~+500℃之间的温度。在特殊情况下电阻温度计测量的低温可达到平衡氢的三相点温度（13.8033K ），甚至可更低，高温可测到1000℃。电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（500℃以下）测温。它的输出信号比热电偶的要大得多，故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。

第一章 热电阻概述

1.1 铂电阻

铂电阻的特点是稳定性好，准确度高，性能可靠，这是因为铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定，所以1990国际温标（ITS-90）规定在13.8033K~961.78℃温域内以铂电阻温度计作为标准仪器。

铂电阻在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系。银次，必须用保护套把电阻体与有害的气氛隔离开来。铂电阻被广泛用于工业上和实验室中。

铂的纯度常以R 100/R 0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R 100/R 0为1.385. 我国规定铂电阻的分度号为Pt10和Pt100，后者用得较多。前者的铂丝较粗，能可靠地用600℃以上测温。Pt100的分度表如下：

铂电阻的温度特性可用下列二式表示： 在-200~0℃之间

R t =R 0[1+At +Bt 2+Ct 3(t -100)]

在0~850℃之间

表1.1

R t =R 0(1+At +Bt 2)

以上两式中R t ——t ℃时的电阻值； R 0——0℃时的电阻值；

A,B,C——常数，对于工业用铂电阻，A=3.90802×10-3℃-1，B=-5.802×10-7℃-2，C=-4.27350×10-12℃-4。

1.2 铂热电阻的非线性

铂热电阻具有测量精度高、测温范围宽、稳定性好等优点，但铂热电阻是一种非线性测温元件。根据国际电工委员会提供的数据，铂热电阻的电阻－温度关系式为：

显然，随着测量范围的增大，非线性越来越严重。当温度测量范围为－200℃～850℃时，铂热电阻的最大非线性达到4.6%。当然，减小温度测量范围，将使非线性减小。但是，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决非线性问题

第二章 系统硬件电路模块设计

本电路关键器件如下：测温传感器采用铂电阻，构成铂电阻电桥电路；CPU 采用8031；AD 转换器采用AD570；电源电路采用5V 供电，选用LED 显示器及8251键盘扩展I/O口。

2.1电源电路

LM2575系列开关稳压集成电路时1A 集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需要散热片。内部有完善的保护电路，包括电流限制及热管段电路等。

LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3V,5V,12V,15V 及可调等多个电压档次产品。

LM2575T系列开关稳压集成电路芯片的主要参数如下： 最大输出电流：1A 最大输出电压：45V 振荡频率：54Khz 最大稳压误差：4%

2.2 CPU简介

8051是MCS-51系列单片机的非常典型的产品，我们用这一个代表性的型号进行系统的单片机原理讲解。

8051单片机包含中央处理器、数据存储器(RAM)、定时/计数器、程序存储器(ROM)、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线 引脚功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

l P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。 l P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。 l P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。 P0口有三个功能：

1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能：

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P3口有两个功能：

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

有内部EPROM 的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的， EA/VPP 访问和序存储器控制信号 1、接高电平时：

CPU 读取内部程序存储器（ROM ）

扩展外部ROM ：当读取内部程序存储器超过0FFFH （8051）1FFFH （8052）时自动读取外部ROM 。

2、接低电平时：CPU 读取外部程序存储器（ROM ）。 在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM 的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

3、8751烧写内部EPROM 时，利用此脚输入21V 的烧写电压。 RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H 单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于

外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 VCC ：电源+5V输入 VSS ：GND 接地

2.3AD570转换器简介

在AD570由微处理器控制的情况下，可在初始化程序中将BC 端置为高电平，DR’端的状态由芯片内部决定, 其出初始状态也是高电平, 此时输出总线处于高阻状态。当B/C’端输入一低电平信号后，AD570便开始转换。此时，DR’端及输出端状态不不变，经25us 后转换结束，DR’端变低，延时500ns 后，数据线上出现转换后的数据。当微处理器取完数据后转换命令可撤去，B/C’置高电平。在B/C’变化后的1.5us ，DR’线随之自动变高，同时数据线呈高阻，一次转换即完成。注意：上次B/C’命令撤除与下一次给出新的转换命令之间的时间间隔不得小于2us ，如果在转换进行期间B/C’线变高，那么这次转换就停止，而且DR’与数据线状态不变。A/D转换结束后，A/D转换芯片会输出转换结束信号，通过CPU 读取转换数据。

铂热电阻具有测量精度高、测温范围宽、稳定性好等优点，但铂热电阻是一种非线性测温元件。

显然，随着测量范围的增大，非线性越来越严重。当温度测量范围为－200℃～850℃时，铂热电阻的最大非线性达到4.6%。当然，减小温度测量范围，将使非线性减小。但是，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决非线性问题。 这时，输出电压U0与传感器电阻的变化量R Δt ／(R0＋R1) 近似成线性关系，此时对测量精度的影响较小。但随着传感器电阻的相对变化量R Δt ／(R0＋R1) 的增大，非线性误差越来越大 ，因而极大地影响了电桥的测量准确度。另外，由式(3—2) 可知，电桥输出电压U0与电桥供电电源的电压成正比关系，因此，供电电源电压的波动也将直接影响测量精度。

铂热电阻的非线性和不平衡电桥的非线性都给最后的温度测量带来一定的非线性误差 。所以，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决这个线性化问题。

A/D570是A/D公司生产的8位逐次逼近型A/D转换芯片，他将D/A转换电路、基准电压、时钟、比较器、逐次逼近寄存器以及输出缓冲存储器等集成在一块芯片上，并具有三态输出。在一般情况下，无需加任何转换电路，只要加+5V及-15V

电源，加上模拟输入，给出启动转换新号，即可实现8位A/D转换。

A/D570的主要特性指标如下： 分辨率 8位 转换时间 25us 转换精度 ±2LSB 输入信号 单极性或双极性 电源 +5V及-15V 内含基准电源

A/D570引脚排列如图 所示。

A/D570可由+5V及-15V 供电，输入模拟电压可以是单极性0至+10V，或者是双极性+5V至-5V 。输入电压极性可由BIP OFF引脚的连接方式而定。单极性输入时BIP OFF接地，双极性输入时应接+5V电源。B/C’是启动转换信号，该信号变低电平时开始进行转换，转换结束时，当DR’变为低电平时，微处理器可将数据取走

在AD570由微处理器控制的情况下，可在初始化程序中将BC 端置为高电平，DR’端的状态由芯片内部决定, 其出初始状态也是高电平, 此时输出总线处于高阻状态。当B/C’端输入一低电平信号后，AD570便开始转换。此时，DR’端及输出端状态不不变，经25us 后转换结束，DR’端变低，延时500ns 后，数据线上出现转换后的数据。当微处理器取完数据后转换命令可撤去，B/C’置高电平。在B/C’变化后的1.5us ，DR’线随之自动变高，同时数据线呈高阻，一次转换即完成。注意：上次B/C’命令撤除与下一次给出新的转换命令之间的时间间隔不得小于2us ，如果在转换进行期间B/C’线变高，那么这次转换就停止，而且DR’与数据线状态不变。A/D转换结束后，A/D转换芯片会输出转换结束信号，通过CPU 读取转换数据。

2.4铂电阻电桥电路

非平衡电桥原理图如图１所示，设电桥供电电源输出电压为Ｅ，四个桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4（ｔ），其中R1、R2、R3为电阻箱，而R4（ｔ）为铂电阻或铜电阻传感元件，其阻值随温度ｔ而变化，若R1R3≠R2R4（ｔ），则电桥有电压U0（ｔ）输出，大小可用数字万用表显示。忽略数字万用表分流，Ｕ０（ｔ）可表示为

不同温度ｔ，对应不同Ｕ０（ｔ），通过数字万用表显示的Ｕ０（ｔ）值就可确定对应温度ｔ值，这就是非平衡电桥测量温度原理。但数字万用表显示值与温度是非线性的，这给温度标定和显示带来困难。可以通过恰当方法进行线性化和数字化处理犤２犦，使数字万用表显示毫伏数的十倍就代表温度值，即Ｕ０（ｔ）＝ｔ? １０（ｍＶ），并且保证显示温度误差｜△ｔ｜≤０．５℃。

图 2.1 铂电阻电桥电路

2.5 扩展I/O接口

键盘接口采用通用并行扩展I/O口

图

2.2

第三章 系统误差来源分析

3.1内引线误差分析

铂电阻的引线有两线制、三线制和四线制三种。两线制电阻配线简单但要带进引线电阻的附加误差。三线制铂电阻, 在测量时可以消除内引线电阻的影响, 测量精度高于两线制。在下列条件下如测量温度范围窄, 导线要求长, 架线途中温度变化时, 必须使用三线制电阻, 可以避免引线电阻的影响。在进行检定标准传递等高精度测量时, 一定要采用四线制电阻, 这种引线方式, 不仅可以消除内引线电阻带来的误差, 而且可以消除连接导线的误差

3.2 连接导线误差分析

我们是通过测量铂电阻的阻值变化来得到测量温度的, 但在实际测量过程中, 有许多接线端子、连接导线、转换开关等, 这些接点产生的接触电阻和导线电阻将影响阻值的测量, 产生测量误差。因此测量时应注意保持接触处干净, 接触螺丝要拧紧, 连接导线应尽量短些, 以减少测量回路中附加电阻的影响, 减少测量误差。如果采用直流电桥测量铂电阻的阻值, 附加热电势是产生误差的主要原因。因此, 用该方法测量时, 测量者应在测取一次数据后, 改变电流方向, 再次测取数据, 取两次测取数据

结 论

本文设计测温传感器采用铂电阻，构成铂电阻电桥电路；CPU 采用8031；AD 转换器采用AD570；电源电路采用5V 供电，选用LED 显示器及8251键盘扩展I/O口。设计具有较高的精度和较低的功耗, 同时电路简洁、成本低。可以用于高精度数字温度计、便携式温度计、大量程比智能温度变送器等设计中, 同时对于便携式高精度测量类仪器的设计具有一定的借鉴和参考价值。

图3.1 总电路图

参考文献

[1] 吴永生，方可人. 热工测量及仪表. 北京. 中国电力出版社.1995

[2] 吴勤勤. 控制仪表及装置. 第三版. 北京. 化学工业出版社.2007

[3] 阎石. 数字电子技术基础. 北京. 高等教育出版社