PT100铂热电阻温度测量系统的设计

无论在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面，温度测量和控制都是极为重要的课题。温度测量系统在单片机系统设计中应用广泛，根据单片机系统设计要求的不同，温度测量系统的设计也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的。本系统选用PT100铂热电阻作为温度信号采集元件，来进行温度测量系统设计。

1 基本工作原理

PT100铂热电阻的阻值随着温度的变化而变化，利用这一特点来采集温度信号，将采集到的信号转换成电压信号；再经过A／D转换成数字信号并由单片机系统读取；单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后再由液晶显示器显示输出温度值。

2 硬件设计

硬件组成主要包括恒流源电路、电压放大、A／D转换接口电路、光耦隔离电路、液晶显示电路5个组成部分。

2.1 恒流源电路

恒流源电路如图1所示。其中芯片OP07为运算放大器，它和5个电阻组成恒流源电路，在VIN+处输出1 mA的工作电流。图中DGND=5 V，VMC=0 V，有4个节点分别是NET1，NET2，NET3，NET4。设流过R110的电流为Ia，流过R114的电流为Ib，单位为mA，方向都向右。

则根据运放的虚断和虚短，则有方程：

DGND-(R111+R110)×Ia+R114×Ib-R113×((DGND-R111×Ia)／R112)-(VDGND-R111×Ia)=0

代入数据，有：

5-(10+1)×Ia+1×Ib-2×((5-10×Ia)／10)-(5-10×Ia)=0

可算得Ia+Ib=1，而Ia+Ib即为所求电流I，为1 mA。

根据方程，可知要得到Ia+Ib为常数，必须满足：

R113×R111／R112-R110=R114

所以，这个电路成为恒流源的条件是：

R111／R112=(R110+R114)／R113

如果R111=R112则必须R110+R114=R113，此时，恒流值为I=DGND×R113／R112／R114。

其中J110用于连接PT100铂热电阻。

2.2 电压放大及A／D转换接口电路

PT100铂热电阻一端输出的电压很小，如果直接与A／D转换器相连接，则转换数据偏差较大；所以本设计中将PT100铂热电阻一端输出的电压放大10倍后与电压跟随器相连接，再进行A／D转换，这样就能得到较好的转换效果，如图2所示。精密放大器INA118和电压基准芯片MC1403组成放大电路，VIN+为PT100铂热电阻一端输出的电压值；WIN-为基准电压源MC1403输出的电压值；VOUT为放大后的输出电压值。计算公式为：VOUT=G×((VIN+)-(VIN-))，其中G的大小由电阻R120来决定，G=1+50 kΩ／R120。芯片OPA277与外围电阻组成电压跟随器。

选用双积分型3(1／2)位的MC14433芯片A／D转换器(相当于11位二进制数)，MC14433采用动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码轮流地在Q0～Q4端输出，同时在DS1～DS4端出现同步字位选通信号。如图3所示。

MC1403集成精密+2.5 V电压源经电位器分压后作为A／D转换的基准电压。MC14433的DU端与EOC端相连，以选择连续转换方式，每次转换结果都送至输出寄存器。EOC是A／D转换结束的输出标志信号。单片机在读取A／D转换结果时，可以采用中断方式或查询方式。为使单片机能忙于其他任务，本设计系统采用中断方式。DU端与EOC相连后经光耦连至单片机的INT1端。

在MC14433上电后，即对外部模拟输入电压信号进行A／D转换，由于EOC与DU端相连，每次转换完毕都有相应的BCD码及相应的选通信号出现在Q0～Q4和DS1～DS4上。当单片机开放中断，允许INT1中断申请，并置外部中断为边沿触发方式，在执行中断程序后，每次A／D转换结束时，都将把A／D转换结果送入片内RAM中。

电压信号经过MC14433A／D转换后，再经光耦隔离电路传送给单片机，单片机处理后由液晶显示器输出温度值。