PT100测温.docx

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PT100测温

单元六数据采集—铂电阻测温

在测控系统中，我们经常要对传感器输出微弱信号进行测量，像压力、温度等物理量的检测。

在本单元中我们以铂电阻（PT100）为例，讲述51单片机在温度检测中的应用。

温度检测中常用的传感器可分为接触式传感器和非接触式传感器。

常用的接触式传感器有金属热电阻、热敏电阻、热电偶和数字温度传感器（DS18B20）等；非接触式传感器有红外线测温等。

各种传感器测温范围不一样，测量精度也有所不同，选用哪种传感器，需要根据实际情况来决定。

PT100是金属热电阻的一种，在0℃下，电阻的阻值为100Ω，温度测量范围为-200℃—850℃，由于其测量范围较宽、测量精度较高，且适合远距离测量，在工业中得到了广泛的应用。

【任务要求】

Ø温度测量范围为0-300℃，温度分辨率为1℃。

Ø适合远距离测温。

Ø液晶1602显示温度值。

【学习知识点】

Ø三线制PT100测温电桥和仪表放大器的设计。

Ø模数转换器的原理和应用。

Ø软件滤波和线性插值的应用

第一节模数转化器的原理及应用

模数转换器简称ADC，通常是指将模拟信号转换成数字信号的电子器件。

自然界中存在的物理量像温度、时间、角度、速度、流量、压力等大都是连续变化的模拟量，通过传感器以及信号调理电路转化成相对应的电压信号。

电压信号通过ADC转换成单片机能识别处理的数字信号，然后在单片机内部完成采集、处理、显示以及控制等任务。

一个简单的采集系统框图如下：

1、模数转换器的原理

A/D转换器（ADC）是一种将输入的模拟量转换为数字量的转换器。

要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过四个步骤：

采样、保持、量化和编码。

一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由来量化编码电路完成。

（1）采样与保持

所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量的过程。

模拟信号的采样过程如图所示。

其中,uI（t）为输入模拟信号，uO（t）为输出模拟信号。

采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。

采样的宽度往往是很窄的，为了使后续电路（编码）能很好地对这个采样结果进行处理，通常需要将采样结果存储起来，直到下次采样，这个过程称作保持。

一般，采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。

开关S闭合时，输入模拟量对电容C充电，这是采样过程；开关S断开时，电容C上的电压保持不变，这是保持过程。

可以看出，当取样频率足够高的时候，保持电路输出的阶梯波就逼近原模拟信号。

为了保证能从取样信号中将原信号恢复，对取样频率fs的要求为：

。

式中，fmax是被取样的模拟信号所包含的信号中频率最高的信号的频率，该式称为取样定理。

（2）量化和编码

取样保持电路得到的阶梯波的幅值有无限多个值，无法用位数有限的数字信号完全表达（n位数字量只能表示2n个数值）。

因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就要选定一个基本电平单位，称为基本量化单位，用△表示。

“量化”的过程就是将取样值用△的整数倍表示。

显然，数字信号的最低位有效位中的1所表示的数值的大小，就等于△，剩下不足一个基本量化单位的部分，将产生转换误差，这种误差称为“量化误差”。

将量化后的有限个数值编成对应的二进制代码的过程叫做“编码”。

编码举例：

例1：

对于一个2位的电压模数转换器，如果将参考设为1V，那么输出的信号有00、01、10、11，4种编码，分别代表输入电压在0V-0.25V,0.26V-0.5V,0.51V-0.75V,0.76V-1V时的对应输入。

分为4个等级编码，当一个0.8V的信号输入时，转换器输出的数据为11。

例2：

对于一个4位的电压模数转换器，如果将参考设为1V，那么输出的信号有0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，16种编码，分别代表输入电压在0V-0.0625V,0.0626V-0.125V,...........0.9376V-1V。

分为16个等级编码（比较精确）当一个0.8V的信号输入时，转换器输出的数据为1100。

2、模数转换的类型

模数转换电路很多，按比较原理分有两种：

直接比较型和间接比较型。

直接比较型就是将取样保持电压直接与一套标准的参考电压比较，从而得到数字量。

这种类型常见的有并联比较型ADC和逐次渐进型ADC。

间接比较型就是将取样后的模拟信号先转换成时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。

这种类型常见的有双积分型ADC。

（1）并联比较型模数转换器

基本原理：

8个电阻将参考电压分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器的比较电平。

输入的模拟电压经采样保持后与这些比较电平进行比较。

当模拟电压高于比较器的比较电平时，比较器输出为1；当模拟电压低于比较器的比较电平时，比较器输出为0。

比较器的输出状态由D触发器存储，并送给编码器，经过编码器编码得到数字输出量。

原理框图：

主要特点：

最大优点是转换速度快，主要缺点是使用的比较器和触发器较多，对于n位输出二进制码，需要2n－1个比较器和触发器。

显然，随着位数的增加所需硬件将迅速增加，当n>4时，并联比较型ADC较复杂，一般很少采用。

因此并联比较型ADC适用于速度要求很高，而精度要求不是很高的场合。

（2）积分型模数转换器

双积分型ADC又称双斜率ADC。

它的基本原理是:

对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，变换成和输入电压平均值成正比的时间间隔，利用计数器测出时间间隔，计数器的输出就是转换后的数字量。

主要特点：

转换精度高，性能比较稳定，抗干扰能力强，电路简单，转换速度较低，双积分型ADC适用于对转换精度要求较高，转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪表。

（3）逐次逼近型模数转换器

转换开始前先将所有寄存器清零。

开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。

这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。

若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。

然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。

这样逐位比较下去，一直到最低位为止。

比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。

特点：

1、分辨率较高2、误差较低3、转换速度较快（n位转换器，需n+2个CP时钟信号）由于逐次逼近型ADC兼顾了并联比较型ADC的速度快和双积分型ADC精度高的优点，所以得到了普遍应用。

3、模数转换器的主要技术指标

（1）、转换精度

Ø分辨率

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。

例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。

Ø转换误差

转换误差通常以相对误差表示，是指实际的各个转换点的数字量偏离理想输出量的误差。

（2）转换速度

转换速度是指完成一次转换所需的时间。

转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

Ø并联比较性A/D转换器的转换速度最高，8位的不超过50ns，

Ø逐次渐近型A/D转换器的转换速度次之，8位的只需400ns,

Ø双积分型A/D转换器的转换速度最低，大都在几十毫秒到数百毫秒之间

4、常用ADC的应用

现在大部分单片机都自带ADC转换器，个别的像本书所讲的STC89C52没有集成ADC转换器。

另外，在具体的应用环境中，自带ADC由于位数或者精度达不到，电路中也需要外接ADC转换器。

下面介绍几种在电子系统设计中常用ADC的使用方法

（1）ADC0809

尽管ADC0809位数比较低（8位），转换速度也不够快，基本上被新型AD所替代，但是由于其内部构造的典型性，一直出现在教材上。

第一节PT100测温电路硬件设计

单片机本身只能处理数字信号，要完成模拟信号的采集，需通过AD把模拟信号转化成相对应的数字信号，AD处理的模拟信号通常是电压形式。

PT100的电阻值随着温度的变化而变化，计算出PT100电阻值，通过PT100的分度表，就可以求得相对应的温度值。

所以在PT100测温设计的硬件设计中，主要任务就是把PT100的电阻值转化成模数转换器能处理的电压量。

一：

PT100前端电路的设计

1、简单的电阻到电压的转换

图1的电路是一种简单的电阻到电压的转换形式，电压源激励（VCC=5V），R1是串联分压电阻，R2和R3分别PT100的引线电阻，RD是PT100。

我们先不考虑引线电阻R2和R3，在0℃时Rd=100Ω，VF=2.5V；在300℃时，Rd=212Ω，则VF=3.397V，整个电压测量范围为2.5V—3.397V，而AD的量程为0-5V，待测信号的电平测量范围仅为AD量程的1/5，无法充分利用AD。

如果考虑引线电阻R2和R3，则VF不再是PT100电阻R1的分压值了，还应该包括引线电阻，引线电阻给系统设计带来了误差。

由此可见，充分利用用AD的量程，消除引线误差是PT100测温电路设计的要点。

图1

2、两线制PT100电压源激励桥式电路

图2是两线制PT100桥式测温电路，如果测温距离较短，可以不考虑引线电阻的影响，则在0℃时，VF1=VF2=0.238V，ΔVF=0V，在300℃时，VF2不变，VF1=0.479V，ΔVF=0.241V。

在传感器的后端电路中，只需要通过减法电路，得到VF1和VF2的差值，再做适当的放大，就可以满足AD的大部分量程，且电压采样值可以从零起调。

如果是长距离测温，不能忽略引线电阻的影响，则两线制电压源激励桥式电路仍然不能满足系统的需要。

图3

3、三线制PT100恒流源激励桥式电路

图4是三线制电流源激励桥式电路。

三线制PT100中，电阻一端是一根连线，另外一端接2根连线，三根线的电阻值相等。

在桥式电路中引入了恒流源激励。

图4中，VF1=（Rt1+Rt2+Rt）*IS1，VF2=（Rt2+Rt3+Rd）*IS2，IS1=IS2=1mA，Rt1=Rt2=Rt3，所以，ΔVF=（Rt-Rd）*IS1，其中Rd和IS是固定的值，可见差分电压只与PT100的电阻值有关，三线制电流源激励的方式，可以完全消除引线电阻带来的影响。

在本设计中要求远距离测温，在传感器的前端电路设计中，采用三线制PT100恒流源激励桥式电路。