PT100高精度温度测量Word文档格式.docx

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另外，该系统具有与计算机的通讯功能，在长时间数据采集完成后，可以将数据在传送到计算机进行相关的研究分析。

因此，该系统即具有现有的计算机控制的智能测量功能，又节省硬件成本。

另外，我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小，即可用于实验室环境温度的测量，又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。

其功能如下：

1.测量空间多点的温度和湿度：

根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。

2.长时间测量数据记录功能：

可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。

3.通讯功能：

与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

采用此通讯方式成本低。

将采集的数据传入计算机，在Windows环境下通过对温湿度数据进行分析，得出空间温度场和湿度场的分布情况。

要求达到的技术指标：

测温范围：

-20℃～100℃

测温精度：

±

0.1℃

测湿范围：

0～100%RH

测湿精度：

3.5%RH

测量仪特点：

1．长周期数据自动记录

2．空间温度场、湿度场测量

3.精度较高

4.价格低廉

2.研究内容

2.1总体方案设计

以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。

该系统，可分为温度信号调理电路，湿度信号调理电路，A/D转换及滤波电路，数据存储及显示电路。

选用的主要器件有：

温度传感器PT100，

图2.1系统原理框图

湿度传感器HIH-4000-1，Atmel89C52，A/D转换器ICL7109，数据存储器28C64或6264，液晶显示模块GXM12232E，模拟开关CD4051，MAX232，高精度集成运算放大器OP07。

Pt100温度传感器

2.2各部分电路设计

2.2.1温度信号调理电路

采用Pt100温度传感器，利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值有一定的函数变化,这个温度/阻值函数，需要用程序来实现。

其特点是精度高，稳定性好，适合于较高要求的工业、计量测试等使用要求。

Pt100传感器温度/阻值对应关系为：

（1）-200℃<

t<

0℃时，RPt100=100[1+At+Bt2+Ct3（t-100）] 

（1）

（2）0℃≤t≤850℃时，RPt100=100（1+At+Bt2） 

（2）

图2.2.1温度信号调理电路

式中，A=3.90802×

10-3；

B=-5.80×

10-7；

C=4.2735×

10-12

图2.2.1是根据所选择的温度传感器而设计的调理电路。

在该电路中，根据要求的温度测量范围-20℃——100℃及ADC的满度电压-4.096V——4.096V，将放大电路的放大倍数控制在100倍左右较为合适。

这通过调节电位器W2实现。

在0℃是，应调节W1，使电桥达到平衡。

HIH-4000电容式湿度传感器

2.2.2湿度信号调理电路

选用的湿度传感器HIH-4000-1芯片内具有信号处理功能，该传感器的线性电压输出可直接输入A/D中。

图2.2.2.1湿度传感器特性

该元件具有多层结构，能适应环境的不利因素，像在潮湿，灰尘，污垢，油类等环境中具较强的抗力。

另外该传感器还有精度高，体积小巧便于安装，响应时间短，互换性较好等优点。

可以根据该传感器的技术要求，由软件来实现温度补偿，提高测量精度，其特性曲线见图2.2.2.1。

根据上述传感器特性曲线，设计了图2.2.2.2所示的电路图。

2.2.3滤波电路及AD转换电路

图2.2.3.1二阶低通滤波电路

2.2.3.1滤波电路

温湿度传感器的输出信号经过各自的信号调理电路之后，由于元器件，电缆线，电源等噪声的干扰，输出波形会发生变化。

此时可根据系统的特性设置一低通滤波器，具体电路如图所示；

一般系统要求在较稳定的环境下工作，信号的频率一般在几个赫兹以内即可。

带通增益为1，此滤波电路的截止频率为5HZ。

图2.2.3.2

2.2.3.2AD转换电路

A/D是该系统中连接模拟部分和数字部分的纽带，把传感器部分的模拟信号转变成为单片机系统所需要的数字信号。

考虑到仪器用于环境温度变化并非剧烈的情况下，传感器输出信号是较稳定的模拟信号，对ADC的转换速率要求不高，可以选用高精度，低噪声，低漂移，低价格的12位双积分式A/D转换器ICL7109。

其输出数据为12位二进制数，配有较强的接口功能，可以较方便的连接各种微处理器。

2.2.4数据存储，显示及通信电路

数据存储选用容量为8KBITE的EEPROM28C64或静态RAM6264，二者的管脚可以兼容，在此电路中最大的区别是2864具有掉电保护功能，而6264在掉电后数据丢失。

对温度湿度最后测得的数据采用液晶模块GXM12231E来显示，由8255A对单片机进行I/O扩展以后，8255A的PA口作数据口，PC口的PC4，PC5，PC6作为控制口来与GXM12231E连接，PB则作为键盘扩展接口，键盘功能留待后续开发。

通信部分采用RS232串行通信方式，采用MAX232芯片，将采集的数据传送到PC机，对温湿度数据进行曲线分析。

这部分详细电路见附件2。

2.3软件设计

软件设计的思路：

开机显示“智能温湿度测量记录仪”，然后进入数据的采集，处理，显示的循环程序；

数据的存储由定时器T0中断控制，设定在每5分钟向外部数据存储器写入当前的温湿度采样值；

串行通信中，由T1作波特率发生器，显现与PC机的通信。

2.4试验标定

表2.4

设定温度T/℃

液晶显示温度t/℃

电桥输出电压Ui/mV

放大后输出电压U/V

-0.230

-0.191

-0.0149

20

20.262

8.884

0.895

30

29.610

13.443

1.349

40

39.083

17.940

1.801

50

48.856

22.484

2.251

60

58.573

26.957

2.702

70

68.110

31.417

3.149

80

77.658

36.058

3.608

由于实验室里的条件限制，我们只能测温部分进行标定。

将温度传感器与恒温箱内的温度传感器绑在一起，屏蔽电缆尽可能地放入恒温箱内（屏蔽电缆的电阻随温度会发生变化。

），在0℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃，80℃几个温度点下，读取电桥输出电压，以及放大后的电压，并记录液晶上显示的温度情况。

每一温度下作多组测量。

求取平均值，如表2.4所示。

分别以液晶显示温度，电桥输出电压，放大后输出电压作为自变量，设定温度作为因变量，用Sma4软件进行分析，拟合出二次线性曲线，选出线性最好的一组是T—U关系，如图2.4所示，因此得出温度T与温度传感器电路U的数学表达式为

图2.4测量电路的温度—电压关系

3.结论

我们所设计的智能温湿度测量系统外形尺寸小，即可用于实验室、车间、厂房环境温湿度的测量，又可用于仪器设备等的内部环境测量。

从方案的确定，电路各部分的设计，PCB板的设计与制作，硬件的调试以及软件的调试，到现在已经实现温湿度的测量，测温精度还比较理想。

作品完成后，也可以直接投入我们学院实验室轴类测量中，来做温度补偿使用。

由于轴类测量中，由于基座材料不同，温度膨胀系数不一样，温度的变化会导致不同的形变程度，必然引起测量误差。

根据这一原理，进行温度补偿，就可以减小温度误差对轴类测量的影响。

附件1：

附件2

附件3