傳感器課程設(shè)計(jì)----基于pt100溫度測(cè)量系統(tǒng)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 方案設(shè)計(jì)與論證2</p><p>　　第一節(jié) 傳感器的選擇2</p><p>　　第二節(jié) 方案論證3</p><p>　　第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理3</p><p>　　第四節(jié) 系統(tǒng)框圖4</p><

2、;p>　　第二章 硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　第一節(jié) PT100傳感器特性和測(cè)溫原理5</p><p>　　第二節(jié) 信號(hào)調(diào)理電路6</p><p>　　第三節(jié) 恒流源電路的設(shè)計(jì)6</p><p>　　第四節(jié) TL431簡(jiǎn)介8</p><p>　　第三章 軟件設(shè)計(jì)9</p><p

3、>　　第一節(jié) 軟件的流程圖9</p><p>　　第二節(jié) 部分設(shè)計(jì)模塊10</p><p><b>　　總結(jié)11</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p>　　第一章 方案設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　第一節(jié) 傳感器的選擇&l

4、t;/p><p>　　溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開(kāi)一定的距離，檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線，達(dá)到測(cè)溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類(lèi)溫度傳感器中，相比運(yùn)用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場(chǎng)合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱(chēng)為熱電阻傳感器，將

5、溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱(chēng)為熱電偶傳感器。</p><p>　　熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類(lèi)，前者簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻，后者簡(jiǎn)稱(chēng)熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來(lái)各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開(kāi)發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、

6、MAX6577，ADI公司的AD7416等，這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MAXIM公司的2種溫度傳感器一個(gè)為頻率輸出，一個(gè)為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比較流行的I2C總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來(lái)了極大的方便，但這類(lèi)器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的范圍太窄，一般只有-55～+125℃，而且溫度的測(cè)量精度都不高，好的才

7、77;0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的場(chǎng)合不太滿足用戶的需要。</p><p>　　熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫范圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來(lái)自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的

8、儀表誤差等。</p><p>　　非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過(guò)熱輻射能量來(lái)反映物體溫度的高低，這種測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，既可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度，又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相對(duì)較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問(wèn)題，而且其輸出受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。</p>

9、<p>　　由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的范圍為0℃～100℃，測(cè)量的分辨率為±0.1℃，綜合價(jià)格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對(duì)較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號(hào)為WZP型鉑電阻，該傳感器的測(cè)溫范圍從－200℃～＋650℃。具體在0℃～100℃的分度特性表見(jiàn)附錄A所示。</p><p><b>　　第二節(jié) 方案論證</b></p>&l

10、t;p>　　溫度測(cè)量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。 方案二：采用溫度傳感器   通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)

11、字量，通過(guò)labview顯示。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量范圍為-200℃～650℃，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測(cè)量精確度是最高的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。該方案采用熱電阻PT100做為溫度傳感器、AD620作為信號(hào)放大器，TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換部件，對(duì)于溫度信號(hào)的采集具有大范圍、高精度的特點(diǎn)。相對(duì)與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有

12、較大的提升。在這里我選用方案二完成本次設(shè)計(jì)。</p><p>　　第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡,再通過(guò)虛擬儀器把當(dāng)前的電壓值轉(zhuǎn)變成溫度</p><p><b>　　第四節(jié) 系統(tǒng)框圖</b>

13、;</p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元，數(shù)據(jù)處理單元，時(shí)間、溫度顯示單元。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路（采樣）、放大電路。</p><p>　　系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖所示。</p><p><b>　　第二章 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　第一節(jié) PT100傳感

14、器特性和測(cè)溫原理</p><p>　　電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。</p><p>　　PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),</p><p>　　其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：</p&g

15、t;<p>　　在0～650℃范圍內(nèi)：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2)</p><p>　　在-200～0℃范圍內(nèi)：</p><p>　　Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)</p><p>　　式中A、B、C 為常數(shù)，</p><p>　　A=3.96847&

16、#215;10-3；</p><p>　　B=-5.847×10-7；</p><p>　　C=-4.22×10-12；</p><p>　　由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT) </p><p>　　其中α=0.00392, Ro為100Ω(在

17、0℃的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱(chēng)為PT100。</p><p>　　PT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200℃～+650℃，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。</p><p>　　主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測(cè)溫范圍：-200～650攝氏度；2. 測(cè)溫精度：0.1攝氏度；&

18、lt;/p><p>　　3. 穩(wěn)定性：0.1攝氏度</p><p>　　Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用Pt100 測(cè)量溫度一般有兩種方案：</p><p>　　方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò)Pt100 熱電阻，通過(guò)檢測(cè)Pt100 上

19、電壓的變化來(lái)?yè)Q算出溫度。</p><p>　　方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100 熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。</p><p>　　兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。</p><p>　　第二節(jié) 信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　調(diào)

20、理電路的作用是將來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)變換成前向通道中A/D轉(zhuǎn)換器能識(shí)別的信號(hào)，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻PT100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。</p><p><b>　　第三節(jié) 恒流源電路</b></p><p>　　從上述關(guān)于PT100傳感器測(cè)溫原理可知，由PT100構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有

21、2種，一種是構(gòu)成的十分常見(jiàn)的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問(wèn)題，一般采用單臂橋；還有一種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過(guò)溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2-1所示。</p><p>　　A圖單臂橋式 B圖恒流源式</p><p>　　圖2-1 兩種信號(hào)獲取的結(jié)構(gòu)電路</p><p>&l

22、t;b>　　硬件電路如圖所示</b></p><p>　　圖2-2 硬件電路圖</p><p>　　第四節(jié) TL431主要參數(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同，如圖a所示。同類(lèi)產(chǎn)品還有圖b所示的雙直插外形的。</p>

23、<p>　　三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 </p><p>　　可編程輸出電壓:2.5V~36V </p><p>　　電壓參考誤差：±0.4% ，典型值@25℃（TL431B） </p><p>　　低動(dòng)態(tài)輸出阻抗:0.22Ω(典型值) </p><p>　　等效全范圍溫度系數(shù)：50 ppm/℃（典型值） </p>

24、<p>　　溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍 </p><p>　　穩(wěn)壓值送從2.5--36V連續(xù)可調(diào)， </p><p>　　參考電壓原誤差+-1.0%， </p><p><b>　　低動(dòng)態(tài)輸出電阻， </b></p><p>　　典型值為0.22歐姆， </p><p>　　輸出電流

25、1.0--100毫安。 </p><p>　　全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦， </p><p>　　典型值為50ppm， </p><p><b>　　低輸出電壓噪聲。 </b></p><p>　　封裝：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23 </p><p>　　最大

26、輸入電壓為37V </p><p>　　最大工作電流150mA </p><p>　　內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.5V </p><p>　　輸出電壓范圍為2.5~36V </p><p>　　替換型號(hào)及應(yīng)用領(lǐng)域:</p><p>　　ZTL431AH6TA </p><p>　　ZTL431ASE5TA

27、</p><p>　　ZTL431BH6TA </p><p>　　ZTL431BZTA </p><p>　　ZTL431BCSTZ </p><p>　　ZTL431BE5TA </p><p>　　UTCTL431L </p><p>　　ZTL431BFFTA </p>&

28、lt;p>　　應(yīng)用領(lǐng)域:： 電平值轉(zhuǎn)換 </p><p><b>　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　圖c</b></p><p>　　TL431的具體功能可以用圖c的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V的基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反向輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同向端）的電壓非常

29、接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管圖1的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但可用于分析理解電路。 </p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　軟件設(shè)計(jì)部分在labview上完成，前面板如圖所示，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集</p>&

30、lt;p>　　圖3-1 采集顯示前面板</p><p><b>　　Vi子程序部分</b></p><p>　　圖3-2 Vi程序</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)行控制溫度顯示和

31、時(shí)間顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過(guò)外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　經(jīng)過(guò)多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來(lái)一些誤差，但通過(guò)調(diào)節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。</p><p>　　通過(guò)本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度測(cè)量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

32、是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為能識(shí)別的電量信號(hào)，其中的信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)從一開(kāi)始的課題確定，到后來(lái)的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來(lái)的調(diào)試和測(cè)試過(guò)程，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到提升。在畫(huà)原理圖、電路仿真和調(diào)試過(guò)程中不可避免地遇到各種問(wèn)題，這要求保持沉著冷靜，聯(lián)系書(shū)本理論知識(shí)積極地思考，實(shí)在解決不了時(shí)候可以請(qǐng)教同學(xué)或指導(dǎo)老師。雖然在制作

33、過(guò)程中不可避免地遇到很多問(wèn)題，但是最后還是在老師以及同學(xué)的幫助下圓滿解決了這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最后調(diào)試，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，很好地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我了解并掌握了一些傳感器和labview的基本理論知識(shí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫。Labview7.1編程與虛擬儀器