PT100铂热电阻温度测量系统设计

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。