1、6.1 工作任務【項目名稱】溫度檢測電路設計與調試【功能要求】設計一個簡單的由恒流源、 PtIOO 鉑電阻傳感器、信號調理電路、 A/D 轉換等電路等相 關元器件構成的溫度檢測電路， 適合于我們日常生活和工、農業生產中的溫度測量，也可以 當作溫度處理模塊嵌入其它系統中，作為其他主系統的輔助擴展。【設計要求】1. 以溫度傳感器 PT-100 作為溫度變化的敏感元件，它利用阻值隨溫度而變化的特性來 測量溫度；2. 通過運放構成 1 毫安恒流源，將 PtIOO 加在恒流源上實現恒溫檢測；3. 把當前 PT100 熱電阻傳感器的電阻值轉換為容易測量的電壓值，經信號放大器放大后，送到 A/D 轉換芯片，

2、將模擬量轉化為數字量，傳送給單片機控制系統。4利用 Proteus 仿真軟件完成仿真電路輸入、仿真和調試；5.完成整個設計的實際電路連接。6.4 任務實施6.4.1 項目設計概況本設計系統主要包括 Pt1OO 恒流源驅動電路、信號調理電路、A/D 轉換電路等三部分，結構示意圖如圖6-20所示。 選用精密電壓源和高性能集成運放構成的恒流源驅動電路為鉑 電阻Pt100提供1mA電流源，把當前 PT100 熱電阻傳感器的電阻值轉換為容易測量的電壓 值，經信號放大器放大后，送到 A/D轉換芯片，將模擬量轉化為數字量，傳送給單片機控制系統。恒流源由壓基準圖 6-20 溫度檢測電路系統示意圖6 4.2 P

3、tIOO 恒流源驅動電路設計與仿真(1)電路設計Pt100 恒流源驅動電路包括恒流源驅動電路、Pt100 鉑電阻傳感器的四線制接口兩部分。1)恒流源電路運用恒流源電路，將恒流源通過溫度傳感器，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關系,溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化，本系統采用恒流源電路來獲取溫度信號。恒流源電路的設計，有用三極管構成的， 有用專門的恒流管， 也有用價格低廉的器件通過比較巧妙 的設計構成的，本系統是采用價格低廉的運放為核心來構成的，恒流效果十分理想， 系統設計的恒流源電路見下圖 6-21 所示。+5V圖 6-21 由運放構成的恒流源電路放大器選用低溫漂、低偏置、低功耗高精度雙通道

4、運算放大器OP200P, U1 構成加法器，U2 構成跟隨器。設電阻 R5（ Rref）的上下電壓為 Va、J V即為 U1 的輸出，當電阻 R!= R2=R3=R4=RO時，則 Va=Vref+Vb，故恒流源的輸出電流：1= （ Va-Vb）/Rref=Vref/Rref從上式可以看出，由于Rref為恒定值，該電流大小只與參考電壓Vref有關。2）PtIOO 鉑電阻傳感器的四線制接口ptIOO 是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT 后的 100 即表示它在 0C時阻值為 100 歐姆，在 100C時它的阻值約為 138.5 歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近 似勻速的增長，但他們

5、之間的關系并不是簡單的正比的關系，而更應該趨近于一條拋物 線。Pt100 分度表見表 6-3 所示。表 6-3 PtIOO 分度表溫度0123456789uc電阻值（Q）-20018.52-19022.8322.421.9721.5421.1120.6820.2519.8219.3818.95-18027.126.6726.2425.8225.3924.9724.5424.1123.6823.25-17031.3430.9130.4930.0729.6429.2228.828.3727.9527.52-16035.5435.1234.734.2833.8633.4433.0232.632.18

6、31.76-15039.7239.3138.8938.4738.0537.6437.2236.836.3835.96-14043.8843.4643.0542.6342.2241.841.3940.9740.5640.14-1304847.5947.1846.7746.3645.9445.5345.1244.744.29-12052.1151.751.2950.8850.4750.0649.6549.2448.8348.42-11056.1955.7955.3854.9754.5654.1553.7553.3452.9352.52-10060.2659.8559.4459.0458.6358.

7、2357.8257.4157.0156.6-9064.363.963.4963.0962.6862.2861.8861.4761.0760.66-8068.3367.9267.5267.1266.7266.3165.9165.5165.1164.7-7072.3371.9371.5371.1370.7370.3369.9369.5369.1368.73-6076.3375.9375.5375.1374.7374.3373.9373.5373.1372.73-5080.3179.9179.5179.1178.7278.3277.9277.5277.1276.73-4084.2783.8783.4

8、883.0882.6982.2981.8981.581.180.7-3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.67-2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.889.489.0188.62-1096.0995.6995.394.9194.5294.1293.7393.3492.9592.55010099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.480100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.511010

9、3.9104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.420107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.7117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.4119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660

10、123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5280130.9131.28131.66132.04132.42132.8133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.4140.78141.16141.54

11、141.91110142.29142.67143.05143.43143.8144.18144.56144.94145.31145.69120146.07146.44146.82147.2147.57147.95148.33148.7149.08149.46130149.83150.21150.58150.96151.33151.71152.08152.46152.83153.21140153.58153.96154.33154.71155.08155.46155.83156.2156.58156.95150157.33157.7158.07158.45158.82159.19159.5615

12、9.94160.31160.68160161.05161.43161.8162.17162.54162.91163.29163.66164.03164.4170164.77165.14165.51165.89166.26166.63167167.37167.74168.11180168.48168.85169.22169.59169.96170.33170.7171.07171.43171.8190172.17172.54172.91173.28173.65174.02174.38174.75175.12175.49200175.86176.22176.59176.96177.33177.69

13、178.06178.43178.79179.16210179.53179.89180.26180.63180.99181.36181.72182.09182.46182.82220183.19183.55183.92184.28184.65185.01185.38185.74186.11186.47230186.84187.2187.56187.93188.29188.66189.02189.38189.75190.11240190.47190.84191.2191.56191.92192.29192.65193.01193.37193.74250194.1194.46194.82195.18

14、195.55195.91196.27196.63196.99197.35260197.71198.07198.43198.79199.15199.51199.87200.23200.59200.95270201.31201.67202.03202.39202.75203.11203.47203.83204.19204.55280204.9205.26205.62205.98206.34206.7207.05207.41207.77208.13290208.48208.84209.2209.56209.91210.27210.63210.98211.34一211.7300212.05212.41

15、212.76213.12213.48213.83214.19214.54214.9215.25310215.61215.96216.32216.67217.03217.38217.74218.09218.44218.8320219.15219.51219.86220.21220.57220.92221.27221.63221.98222.33330222.68223.04223.39223.74224.09224.45224.8225.15225.5225.85340226.21226.56226.91227.26227.61227.96228.31228.66229.02229.373502

16、29.72230.07230.42230.77231.12231.47231.82232.17232.52232.87360233.21233.56233.91234.26234.61234.96235.31235.66236236.35370236.7237.05237.4237.74238.09238.44238.79239.13239.48239.83380240 18240 52240 87241 22241 56241 91242 26242 6242 95243 29390243.64243.99244.33244.68245.02245.37245.71246.06246.424

17、6.75400247.09247.44247.78248.13248.47248.81249.16249.5245.85250.19410250 53250 88251 22251 56251.91252 25252 59252 93253 28253 62420253 96254.3254 65254 99255 33255 67256.01256.35256.7257 04430257 38257 72258 06258.4258 74259 08259 42259.76260.1260 44440260 78261 12261 46261 8262 14262 48262 82263 1

18、6263 5263 84450264 18264 52264 86265 2265 53265 87266 21266 55266 89267 22460267 56267 9268 24268 57268 91269 25269 59269 92270 26270 6470270 93271 27271 61271 94272 28272 61272 95273 29273 62273 96480274 29274 63274 96275 3275 63275 97276 3276 64276 97277 31490277 64277 98278 31278 64278 98279 3127

19、9 64279 98280 31280 64500280 98281 31281 64281 98282 31282 64282 97283 31283 64283 97510284 3284 63284 97285 3285 63285 96286 29286 62286 85287 29520287 62287 95288 28288 61288 94289 27289 6289 93290 26290 59530290.92291.25291.58291.91292.24292.56292.89293.22293.55293.88540294.21294.54294.86295.1929

20、5.52295.85296.18296.5296.83297.16550297.49297.81298.14298.47298.8299.12299.45299.78300.1300.43560300.75301.08301.41301.73302.06302.38302.71303.03303.36303.69570304.01304.34304.66304.98305.31305.63305.96306.28306.61306.93580307.25307.58307.9308.23308.55308.87309.2309.52309.84310.16590310.49310.81311.

21、13311.45311.78312.1312.42312.74313.06313.39600313.71314.03314.35314.67314.99315.31315.64315.96316.28316.6610316.92317.24317.56317.88318.2318.52318.84319.16319.48319.8620320.12320.43320.75321.07321.39321.71322.03322.35322.67322.98630323.3323.62323.94324.26324.57324.89325.21325.53325.84326.16640326.48

22、326.79327.11327.43327.74328.06328.38328.69329.01329.32650329.64329.96330.27330.59330.9331.22331.53331.85332.16332.48660332.79PT100 熱電阻有二線制，三線制，四線制，其接線主要有三種方式:二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制，這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r 大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種

23、方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業過程控制中的最常用的方式。四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流 I，把 R 轉換成電壓信號 U，再通過另兩根引線把 U 引至二次儀表。可見這 種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。連接導線的電阻和接觸電阻會對 PtIOO 鉑電阻測溫精度產生較大影響， 鉑電阻三線制或 者四線制接線方式能有效消除這種影響。 二線制和三線制是用電橋法測量， 最后給出的是溫 度值與模擬量輸出值的關系。四線沒有電橋， 完全只是用恒流源發送， 電壓計測量，最后給 出測量電阻值，本電路采

24、用是四線制接法。（2）電路仿真PtIOO 恒流源仿真電路如圖 6-22 所示，單擊仿真開關“匚口”，電路進入仿真模式，通 過電流探棒 U2（POS-IP）可以看出，該電路可以實現1mA 恒流輸出。U2(POS_IP)1=0.00100001圖 6-22 PtIOO 恒流源仿真電路PtIOO 恒流源驅動電路如圖6-23 所示，恒流源直接為 RTD-PT100 提供恒定 1mA 電流，單擊仿真開關“匚口”由于 RTD-PT100 默認溫度為 100C，通過電壓探棒 RT2 ( S+)可以看出，V=0.139504V。因為 RTD-PT100 溫度為 100C時，其阻值為 138.51Q,根據歐姆定

25、 律可得：V=IR=0.001*138.51=0.13851，約等于仿真輸出結果，說明設計電路是可行的。為了進一步驗證電路可行性，分別改變RTD-PT100 溫度從-200C660C,分別記錄RTD-PT100 轉換輸出的電壓信號值，詳見表 6-4 所示(限于篇幅，只記錄 -200C200C之 間輸出結果)。圖 6-23 PtIOO 恒流源驅動電路調試表 6-4 PtIOO 恒流源驅動電路調試輸出結果溫度C電阻值(Q)輸出電壓(V)溫度C電阻值(Q)輸出電壓(V)-20018.520.191401000.1010-19022.830.232510103.90.1043-18027.10.281

26、920107.790.1081-17031.340.324430111.670.1122-16035.540.366040115.540.1164-15039.720.413050119.40.1197-14043.880.443160123.240.1243-130480.492870127.080.1280-12052.110.532680130.90.1311-11056.190.572290134.710.1352-10060.260.6132100138.510.1395-9064.30.6524110142.290.1433-8068.330.6913120146.070.1471

27、-7072.330.7314130149.830.1510-6076.330.7715140153.580.1546-5080.310.8124150157.330.1581-4084.270 8532160161.050 1621-3088.220 8951170164.770 1652-2092.160 0934180168.480.1690-1096.090.0971190172.170 173201000 1010200175.860 17616 4 3 信號調理電路設計與仿真（1）電路設計信號調理電路包括儀用放大器和反向比例放大器兩部分。1）儀用放大器儀用放大器的作用是將來自于傳感器

28、的信號變換成A/D 轉換器能識別的信號，作為本系統， 由于溫度傳感器是熱電阻 PT100， 因此調理電路完成的是怎樣將與溫度有關的電阻信 號變換成能被 A/D轉換器接受的電壓信號。儀器放大器通常用來精確放大混有高共棋電壓 （-10V 以下）的低電平信號。隔離儀器放大器可以在- 10V 以上，甚至到 2000V 的共模電壓下工作。基本儀器放大器由三只運算放大器組成，如圖6-24 所示，圖中 U3、U4 為同相放大器，差動輸入信號加到兩只同相放大器的同相輸人端。U5 為差動放大電路，其作用是把進U3、U4 的輸出信號進行差動放大。由于差動輸入信號加到同相放大器的同相輸入端，而同相放 大器較反相放大

29、器輸入電阻高，因而放大器有較高的輸入電阻。由于U3、U4 的接法相同，兩放大器的增益相同， 兩輸入端對地的輸入電阻相同，兩放大器對應的同相端與反相端的偏流也相等。當運放的開環增益為無窮大時，放大器的同相輸入端及反相輸入端的電壓相等， 當 U3、U4 同相端加入共模電壓時，RV1 無電流通過，即 U3、U4 對共模電壓的增益永遠為1。通過 U5 的差動放大，便把共模電壓抑制了，因而儀器放大器有較強抗共模電壓能力。R8、R9、R10、R11 阻值的選擇，不會影響放大器U3、U4 因放大共模電壓而飽和（因為它圖 6-24信號調理電路儀器放大器的差模放大倍數為:2）反向比例放大器反向比例放大器的作用：

30、 由于儀器放大器輸出為負值，A/D 轉換電路無法識別， 根據實際需要，把儀器放大器輸出送入反向比例放大器反向輸出,轉換器。反向比例放大器由U6 和外圍元器件構成，如圖6-24 所示。（2）電路仿真、調試信號調理電路如圖 6-25 所示，儀用放大電路由U3、U4、U5 和外圍元器件構成，根據時，放大器輸入 Ui=0.12078V 時，對應輸出為 Uo=-2.99641，改變 RTD-PT100 溫度值，同樣 可以得放大后的電壓信號，可以驗證電路設計的正確性。由于儀用放大電路輸出電壓為負值，A/D 轉換器無法識別，故經過反向比例放大電路（U6 和外圍元器件構成）完成負值轉換正值。如圖6-25 所示

31、，當輸入電壓為-2.99641V 時,對用輸出為 2.99866V，可以直接把轉換后的數據直接送入A/D 轉換器進行處理。實現負值轉換成正值， 送入 A/D公式AT +誥詵可以得出該放大器放大倍數為-25。舉例，當圖 6-25 信號調理電路調試6 4 4 A/D 轉換器（1）電路設計A/D 轉換器的作用是把模擬信號轉換成單片機可以識別的二進制代碼。本系統使用 A/D轉換器是 ADC0808，其具體功能可以參考 ADC0809，詳見知識點 1 內容。A/D 轉換電路如圖 6-26 所示。+5VU8(CLOCK)圖 6-26 A/D 轉換電路（2）電路仿真、調試A/D 轉換電路如圖 6-27 所示

32、，單擊仿真開關 匚匚” U6 輸出電壓信號（約等于 3V） 直接送入轉換電路 IN0，利用 SW1 閉合、斷開給管腳 6 提供下降沿，即可把輸入模擬信號 轉換成二進制代碼輸出，觀察 OUT1-OUT8 輸出端電壓探針，即從高到底分別為：10011001。表 6-5 記錄其中幾個典型電壓值對應輸出結果。* CLOCKSTARTEOCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT8OEU7(IN0)R17SW110OUT121OUT5OUT714OUT2 20OUT3 19OUT4 18OUT6 15OUT8 17U72662/2874525824232212916ADC08081

33、 2+5VAADC0808圖 6-27 A/D 轉換電路表 6-5 A/D 轉換電路部分輸岀結果輸入輸出十進制OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT800000000000.50001101026100110011511.501001101772011001101022.5011111111273100110011533.5101100101784110011002044.5111001012295111111112556 4 5電路原理圖的創建與仿真(1)電路創建1)打開 Proteus 工作界面，保存文本，此處不再詳細敘述其操作過程,書籍，自行閱讀。2)元器件拾取:

34、Proteus 7 Professional”，單擊藍色圖標ISIS 7V=SHI.vV=SLQ.v_ V=SLQ._ H V-SW.，x-. 帖 SHIV=SLQ V=SLQ. JV=SHIOUT10 OI-T2如QUT3 igOLTR 汀OUT 弓 IEOUT6巧OUT?14 9-STARTEoc0UT4船INDIN1IM2IM3IM2628+5VA敦V=2.95S640UT7OUTBOEADDAADO BADDCALE2423722VREF(+)VREF(-)16請讀者借閱相關在桌面上選擇【開始】T【程序】T+5VqUaCCLOCK)JUL 尸U7Professional打開應用程序。I

35、SIS Professional 的編輯界面如圖 6-28 所示。Devices”元件拾取）對話框，如圖 6-29 所示。圖 6-29 元件拾取對話框以放置 OP200P 為例，把元件名的全稱或部分輸入到Results”中顯示所有 OP2OO 元件列表，雙擊需要放置元器件（OP2OOP）,即可添加至對象選擇器窗口，元件拾取后的界面如圖6-30 所示。tT禪尸：|riaJBITJTM ifrl設i十bi) IJfft： fri -iTrt IS廢:才0 匪！1 I 41 (! S (v) Iff Oh 00DiU 1垂E）圃事*4遜Q凹Q 1匸工蠱#戶 衛眄證 團宙呂曲曲空Pi nk Devic

36、ca用鼠標左鍵單擊界面左側預覽窗口下面的P”按鈕，如圖 6-28 所示，彈出 Pick止:a*qWP I JMhOlQ匚ipKdQiECMQ54ffiMwiwCorfiecJHFDeikwgTMlii DiiiECL lIXDDSttt FtadKTKFmJ indwL：.H:; 15歸歸.匕匕S/ Wl然后關閉UVTITLEDi - ISIS FEoCcaj-ionil刃坤啞*1（EIMa ill工鼻 訊討EWEIsjr+tai調鼠皿I*心用單址I魅粛砂0 E) K 00 NPi.cto Iieviccsl園lil申命題風口|OP200MaichhoteWffldi?OpciiAond圖 6

37、-30 直接拾取元件示意圖按照 OP2OOP 的拾取方法，依次把所有元件拾取到編輯界面的對象選擇器中,元件拾取對話框。所有元件拾取后的界面如圖6-31 所示。TITLED - ISIS Professional迪騙輯工具（I）設計Matchlhole Wds?Categoiy:D色嗎超l#B*Ksywoidte:氐Pick DevicesPl LDEVICES741AD匚0808OP07C0P2D0PPOT-UNRESRTD-PT100SW-SPSTII匚剖凹亦詞3呂:|屋回廖Analog IC$Capadtcrs CMOS 4000series Conneciors DataConverte

38、rs DebuggingTools Diode?E CL 10000 Serri&sElectromechanicalInductofsLaplKPrimitivesMemory IlCs M沁roptocessorICsModelng PrimiliwesFlnprtinnAl DimKiaz圖 6-31經過以上操作，在對象選擇器窗口中，所有元件拾取后的界面已有了 741、 ADC0808、 OP07C、 OP200O、 POT-LIN 、RES、RTD-PT100、SW-SPST 八個元器件對象，此時，我們已注意到在繪圖工具欄中的元 器件按鈕2 處于選中狀態。3）放置元器件：在對象

39、選擇器窗口中，選中OP2OOP,將鼠標置于圖形編輯窗口該對象的欲放位置、單擊鼠標左鍵，該對象被完成放置。同理，將其它元件放置到圖形編輯窗口中。若對象位置需要移動，將鼠標移到該對象上，單擊鼠標右鍵，此時我們已經注意到，該對象的顏色已變至紅色，表明該對象已被選中，按下鼠標左鍵，拖動鼠標，將對象移至新位置后，松開鼠標， 完成移動操作。4）放置電壓源和接地引腳單擊繪圖工具欄中的信號發生器按鈕，在對象選擇器窗口，選中對象POWER，如圖6-32 所示。將其放置到圖形編輯窗口。單擊繪圖工具欄中的信號發生器按鈕，在對象選擇器窗口，選中對象GROUND，如圖 6-33 所示。將其放置到圖形編輯窗口。元件拾取對話框。所有元件拾取后的界面如圖6-31 所示。圖 6-32 放置電壓源圖 6-33 放置接地引腳5