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《(教师用)温度数显仪表电路原理设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、温度数显仪表电路原理设计1．概述在温度的测量中，铂电阻是最稳定的一种温度传感器，制定有相关的工业标准，并成为温度计量器具中主要应用的温度传感器。如选用了Pt100铂电阻温度传感器。考虑温度大范围测量，可选用普遍使用的传感器K型镍铬－镍硅热电偶，其范围在-270ºC～1370ºC,但是在-50ºC～1000ºC特性较好。铂电阻测温电路有2种形式，一种是用恒流源电路，一种是用恒压电路。恒流源电路就是给铂电阻传感器提供一个恒定的电流，这样温度引起电阻的变化就会转变为铂电阻两端电压差的变化。恒压电路就是通常的电阻电桥
2、电路，用来测量微小电阻的变化。其简单的原理是对电桥加一个恒定的电压，这样，4个桥臂任意一个电阻阻值的变化都转化为电桥输出电压的变化。测温可以分为接触式和非接触式两种情况，接触式测温一般选用热电偶或热电阻形式；非接触式测温一般用红外双色测温。2．传感器信号调理2．1铂热电阻的信号调理1）热电阻的非线性分析及不平衡电桥测温原理我们知道,铂热电阻在0～850℃范围内随温度变化的阻值公式为:(1)式中,、分别为t℃和0℃时铂热电阻阻值;t表示工作温度;α,β为常数，其中,。对于铂电阻Pt100,=100。显然由式(1
3、)可知,与t是非线性关系,且随着温度的升高,铂热电阻的非线性越来越严重，在以下对Pt100进行的电桥检测电路中此问题可以得以说明。铂电阻不平衡电桥电路测温原理图U0=R图1 铂热电阻测温电桥根据图1，电桥由R1、R2、R3和Rt构成。Rw1和R3并联，Rw1主要作用是调零，外界温度为0℃时，调节Rw1使ΔU=0。这里先忽略掉Rw1的作用（此时认为R3的阻值和Rt在0℃时的阻值是一样的），分析不平衡电桥测量原理：由图可知：由于Ri的数值很大,故上式分母中的第2项可以忽略不计,则:若令 R1=R2,R3=R0,设
4、Rt=R0+RΔt,则有:(2)RΔt是温度变化时铂热电阻阻值的变化量,RΔt=R0(αt+βt2)因为R0+R1>>RΔt,如果对式(2)做简单的线性化处理,可得:在实际应用中,这种处理是有误差的，主要是不平衡电桥的非线性,同时,当测温范围大于100℃时,这种线性化处理的误差将随着量程的增加而增加,当铂热电阻阻值变化幅度较大时,不平衡电桥即存在严重的非线性，最终达到不能允许的程度。我们主要测量0～100℃的温度，可以认为线性度比较好。在实际电路中，电阻的阻值和标称是不完全相等的，所以即使选用的R1=R2，实
5、际上也是不相等的，选定好R3=Rt（0℃时），U0也不等于0V，所以在R3两端并联Rw1，微调Rw1使桥输出△U=0V。这就是Rw1调零的作用。2）信号放大电路温度变化引起Pt100的阻值变化，进而引起桥输出电压的变化。变化的电压要进行信号放大，其原理如图2所示：图2信号三运放原理由电子学知识可知：上图设计的是采用OP07组成的三运放仪表放大器，具有足够大的放大倍数。当=，===时，可得：放大倍数为：因此，在我们得到由于温度而引起热电阻变化导致桥平衡电压输出有△U产生时，我们可以调节改变放大倍数来达到所需信号
6、的放大目的。2．2K型镍铬－镍硅热电偶的非线性热电偶的工作原理及其放大信号电路与热电阻原理一样就不细作分析热电偶的非线性比较复杂，鉴于篇幅详细分析请参照所提供的附录一“基于继承温度传感器的热电偶冷端补偿方法”。对于热电偶的非线性化处理可以采用硬件实现比如用二极管的特性补偿，或者用专用的补偿集成芯片加一些外接电路实现。硬件完全能实现，但这样PCB布局走线困难，在此我们可以用软件来实现。此外，热电偶的输出电势是两端结点温度差的函数，为了使冷端在非零状态下输出的电势势被测温度的单值函数，必须进行冷端补偿。本系统中选
7、用18B20芯片来检测冷端温度来进行软件补偿（时间允许可做为学生的发挥部分，相关信息请参考提供的芯片资料）。3．信号采集信号采集分为两路，一路为热电阻温度传感器采集过来的信号接12位的MAX144A/D转换芯片2脚，另一路为热电偶温度传感器采集过来的信号接12位的MAX144A/D转换芯片3脚，两路信号经A/D转换后用单片机采集信号（单片机选用89c58），然后经过单片机运算处理，转换为对应的温度信号，通过控制芯片74HC595动态显示当前的两路温度。信号接入如图3所示：图3MAX144信号采集MAX144A
8、/D转换芯片为串行AD转换器，这样可以节省单片机的IO口（详细资料请参考提供的有关芯片资料）。4．温度的显示原理74HC595串行8位数据串行芯片，我们在显示部分采用了一片74HC595控制芯片来实现五个LED的动态显示。通过三根IO线（P2.5~P2.7），实现对74HC595控制芯片的控制来实现五位数据显示的。单片机通过控制其位选信号将一个8位即单字节数以串行方式传送给74HC595，最后并行输
