基于Pt100运用查表法实现的高温温度计设计
本文针对高温温度计存在体积大、成本高、操作复杂及实际测量依赖电脑而不能独立工作等缺点，研究了温度数据的采集、传输、显示等问题，设计出以STC89C52为核心，基于Pt100温度传感器和液晶1602显示的铂电阻高温温度计。该温度计的测量范围从-200～+500℃，精度为1℃。实验表明，该高温温度计具有测温范围广、性能稳定、工作可靠、扩展能力强和可独立工作等特点。
关键词 温度计；传感器；液晶显示；查表法
在现实生活中，测温装置形式多样，但大多数存在测温范围小的缺点，使其应用范围受到限制。例如：汽车发动机、空调压缩机、轮船等温度往往较高，使用一般的温度计难以测量，使用大型的测温设备不但测量成本高，而且也不易携带。文中设计了一种便于携带，且实用又能适应高温环境的高温温度计。
高温温度计的原理框图如图1所示。
系统是基于Pt100的高温温度计，Pt100模拟温度传感器对环境温度进行采集，然后把采集的数据经A／D转换后传给单片机，单片机接收数据并处理后，在液晶屏上显示测量的温度值。
1 系统主要硬件设计
1．1 电源电路
系统用3节5号干电池串联，电压接近4．5 V，刚好满足设计的电源电压要求。电源处理芯片的选择方面考虑的重点是效率高、工作电压低、体积小，经过仔细对比后，选择了以下电源处理芯片。
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf 2．5～36 V范围内的任何值。在本文中用作桥式测温电路的参考电压，还具有多种应用，例如：分流校准器、串联校准器、开关校准器、电压参考等。
在T1431与电源引脚间加上一个100 Ω电阻用于限流，地引脚端直接接地，电压输出2．5 V接到桥式测温电路作为基准电压，注意基准电压必须稳定，不然会影响测温准确性。
LM1117是具有稳定的电压输出的校准器，可以输出稳定的1．2 V，1．5 V，1．8 V，2．5 V，2．85 V，3．3 V，5 V等电压。设计中用LM1117稳压至3．3 V为A／D模数转换器、放大器提供稳定的电压保证。在电源和地引脚之间加上电容C4和C5用于去耦滤波。
InterSIL公司生产的ICL7660是提供双电压的COMS集成芯片，它在提供正负电压方面有独特的优势。ICL7660可以提供+1．5～+10 V和-1．5～-10 V的正负电压。ICL7660正输出电压Vout+和负输出电压分别接入INA126电源的正负极。电源模块的电路原理如图2所示。
图2中VCC5是电源电压，经过LM1117芯片输出为3．3 V，为INA126(仪表放大器)、ADS7816和ICL7660供电。经过TL431输出2．490 V的电压，为桥式放大电路和ADS7816提供稳定的基准电压。ICL7660把+3．3 V转换为-3．3 V，为仪表放大器提供负电压。因为单片机和液晶显示器的工作电压范围广，所以VCC直接和总电源相连。
1．2 A／D模数转换模块
因为Pt100是模拟温度传感器，且温度测量范围广，所以设计采用ADS7816，A／D电路图如图3所示。管脚VREF接桥式测温电路的基准电压，管脚+IN信号数据输入口接INA126运放的输出端，-IN、GND管脚分别接地。管脚CS片选端接单片机的P1.6口，低电平有效，当P1.6口置低电平时A／D选通，开始工作。管脚Dout信号数据输出口接单片机的P1.5口，用于读取A／D转换后的数据。管脚LOCK时钟信号口接单片机的P1.4口，单片机P1.4口提供A／D连续时钟脉冲，保证A／D数据转换和读取的正常。管脚VCC接经LM1117稳定后的输出电压3．3 V。设计采用STC公司的89C52单片机作为核心，在系统中用89C52单片机来读取A／D转换数据并处理，然后控制液晶显示，是设计中所有器件的核心模块。
单片机与A／D连接电路图如图3所示。
1．3 显示模块
基于液晶1602显示内容丰富，功耗低等优点，选用液晶1602作为显示模块。液晶的第1管脚是接地管脚，管脚VCC接电源，液晶的管脚VL外接电源串联一个10 kΩ的电位器后接地，用来调节液晶的亮度对比度，使其显示清楚、准确。管脚RS接单片机的P1.0口。管脚RW接单片机P1.1。管脚EN接单片机P1.2口，是液晶的使能管脚。液晶的数据口(7～14管脚)接单片机的P0.0～P0.7口，液晶的数据口采用8位并口方式进行数据传送。第15，16管脚是液晶背光灯的正负极，分别接VCC和GND即可。液晶连接电路图如图4所示。
1．4 Pt100测温电路
系统的测温模块由两个1 kΩ电阻，一个电位器和Pt100组成桥式测温电路。桥式测温原理如图5所示。
电桥的输入电压通过TL431稳压至2．5 V，经过测量得到电桥实际输入电压为2．49 V。电桥的4个桥臂中的一个桥臂采用电位器，因为通过调解电位器可以调整输入到运放的差分电压信号大小，设计中用此电位器来调整零点。
Pt100数据手册推荐使用LM358芯片放大差分信号，由于LM1117提供给运放的电压只有3．3 V，供电电压过低会导致运放工作不正常，电压放大倍数和理论计算的放大倍数误差很大，这样直接导致放大倍数不稳定，影响测温精确度。经过比较选择发现INA126精密仪器仪放大器，具有高精度，低噪声差分信号采集的优点，它的两个运放设计提供卓越性能具有非常低的静态电流(175 mA／chan)，结合宽工作电压范围±1．35～±18 V的，使其成为高性能的运算放大器。所以改用INA126作为运算放大器，经过测试发现放大倍数稳定。系统中放大倍数约等于6．27倍。由于INA126需要双电源供电，所以使用ICL7660进行电压转换，这样可以轻松得到负电压对INA126进行双电源供电。通过INA126对电桥信号进行差分放大。桥式差分放大电路图如图6所示。
对电位器R6进行零点调整可以得到U_=50．012 mV。INA126对U+和U_进行差分放大，放大后电压U0=F×(U+-U_)，F是电压放大倍数，经过测量得到F=6．27。所以
这样得到Pt100的电阻值与经过INA126放大后的电压关系，把U0送入A／D，通过A／D转换，单片机算出Pt100的电阻值，然后查表，查到的电阻值与表中的相近时，得出此时的温度值，然后送出数据在液晶屏上显示。
2 软件设计
系统的软件包括温度采集部分、A／D转换模块，接收结果处理显示部分。整个程序采用C语言编写，采用模块化程序设计。
设计采用Pt100模拟温度传感器采集数据，单片机通电后，Pt100由于温度变化，引起电阻发生变化，进而桥式测温电路的电压值发生变化，经过差分放大、A／D转换后送入单片机。单片机始终等待A／D转换值的到来，因为本设计只需要测量温度，所以没有采样周期，读取A／D值的程序放入无限循环中。在设计中，由于Pt100的电阻值和温度不成线性关系，所以设计用Matlab拟合函数创建一个电阻值一温度对应表格，查表得到温度值。程序开始后，先对液晶屏、A／D进行初始化处理，然后确定液晶屏在空闲状态，调用液晶写地址指令函数，使液晶屏分两行显示，接着调用液晶写数据函数在第1行写入温度计的英文Thermometer，第2行写入查表得到的温度值。
A／D模块，首先对A／D初始化，然后把A／D的CS管脚、时钟脉冲CLK拉至高电平，接着把CS拉至低电平开始采样。在写程序的时候要注意先发送给A／D两个下降沿脉冲，然后才开始采样数据。实验证明，如果直接进行采样，会导致采样数据误差很大。采样完成后给CS管脚拉至高电平，停止采样，返回数值。接着进行下一组数据的采样。主程序流程图如图7所示。
3 系统测试
液晶模块的硬件电路接好后，接通电源，调节与LCD连接的电位器，使液晶显示亮度适中，显示结果与预期结果相同，液晶模块测试正常。开启电源，Pt100开始测温，利用水银温度计做参考，计算Pt100温度测量误差。Pt100温度测量结果如表1所示。
由于设计的温度计精度只有1℃，所以小数点后的温度值都为0，经过测试计算，温度测量的平均误差为2．5％。
4 结束语
在程序模块，开始没有利用查表法，直接用公式进行计算，误差较大。经过不断地修改，发现查表法很好地解决了这个问题，在系统的大范围测温中，这个误差在高温环境下影响不大。系统可以用于高温环境中，测温准确、操作方便、成本低廉，有较高的实用性。还可以经过改善做成无线收发系统，成为远距离测温控制系统。
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