基于pt100铂电阻的数字温度计的设计Word文件下载.doc

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人们的日常生活、工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系。

1871年，西门子（SirwilliamSiemens）发现了铂电阻测温原理，制造出第一支铂电阻温度计。

1887年，卡伦德（HughCallendar）改进了铂电阻温度计的工艺和研制测温电桥并得到了著名的卡伦德公式。

之后，铂电阻温度计成为国际温标的标准仪器，并一直沿用至今。

金属热电阻是一种广泛应用的温度传感器。

它以测量精确，线性好，重复性好，测量范围大，体积小等的点被用在很多场合，其中铂电阻传感器被定为测温的基准。

金属热电阻特别是铜、铁等热电阻的大量使用，将给使用者在传感器的标定造成重复性的麻烦。

因为传感器的标定既复杂又要求苛刻，且成本较高。

为了解决这个问题我采用了一种方便的以精密铂电阻为标准传感器的金属热电阻的来作为温度传感器。

本文采用atmega16单片机作为处理的核心部分；

用pt100作为温度传感器，由于atmega16单片机自带有A/D转换功能，把采集到的温度经放大后直接送到atmega16单片机，经过atmega16单片机处理后送到显示器，显示器将显示采集的温度，这样就能够达到题目的要求，而且其准确性也较高。

关键字：

atmega16单片机，pt100温度传感器，数码显示，protues

Abstract

Temperaturemetrology,amajorbranchofmetrology,playsanimportantroleineveryfieldofnationaleconomy.Forexample,people'

sdailylife,industrialandagriculturalproduction,scientificexperimentsandmanyotheraspectsareallconnectedcloselytothetemperaturemetrology.In1871,SirwilliamSiemensdiscoveredtheprincipleoftemperaturemeasurementofplatinumresistorandcreatedthefirstplatinumresistancethermometerintheworld.,TheplatinumresistancethermometertechnicswasimprovedbyHughCallendarin1887.AtthesametimehedevelopedbridgeformeasuringtemperatureandmadeoutthefamousCallendar'

sformula.FromthenonCallendar'

sthermometerhasbeenusedasastandardinstrumenttointernationaltemperaturescale.Metalheatresistancewaswidelyusedastemperaturepickupinmanysituationsforitsprecisionmeasurement,goodlinearityandrepetitiveness,greatmeasuringrangeandminuteextension.Callendar'

sthermometerisastandardamongthem.Toomuchmetalheatresistanceusedespeciallycopper,ironetc.willcauserepetitiveproblemsindemarcatingthesensors.Consideringitscomplexity,strictnessandhighcosts,Iuseaconvientmetalheatresistanceastemperaturepickup,whichhasapreciseplatinumresistanceasitsstandardsensor.

Inthistheory,Iuseatmega16asfunctioncenterandpt100astemperaturepickup.Asatmega16itselfhasA/Dtransformingfunction,Icansenditthegatheredtemperaturedirectly,thenatmega16willdealwiththetemperatureandpresentitonthemonitor.Inthisway,Icanfulfillthisissue,anditismoreaccurate

Keywords:

Atmega16,pt100temperaturepickup,Digitaldisplay,protues

3

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1绪言

1.1课题背景

二十一世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。

它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。

作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺韵一个重要领域。

在信息化社会，几乎没有任何一种技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。

生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理都息息相关。

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。

可以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，它与通讯技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。

传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、声学、精密机械、材料科学等众多科学相互交叉的综合性高新科技技术密集型前沿技术之一，广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环境保护、灾害预测预防、农业、机器人、家电等各个领域，可以说几乎渗透到人类活动的各个领域。

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。

其测量控制一般应用各式各样形态的温度传感器。

我国广泛应用于气象、环保、纺织、生化等行业德各个方面，另外农业、食品、木材、煤炭等对温度传感器的需求也在不断增加。

金属铂的电阻值随温度变化而变化基本成线形关系，并且具有很好的重现性和稳定性，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。

利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200—650℃最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温及各种实验仪器仪表等领域，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

1.2国内外研究的发展及现状

1.2.1温度传感器的的概述及发展现状

二十一世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之二。

传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。

八十年代以来，西方国家一直将此列为重点发展高新技术。

改革开放二十多年来，我国建立了“传感技术国家重点实验室"

、“微米／纳米国家重点实验室’’、“国家传感技术工程中心’’等研究开发基地；

在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格的新产品，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种；

同时全国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS（微电子与微机械的结合）研制生产的已有50多家。

目前全行业正在执行“十一五”计划，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点。

2004年上半年，产品产销量继续增长，预计到“十一五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿只，销售总额将达约120亿元，从而初步形成了电子制造业中的经济增长点。

传感器作为信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

进入二十一世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

同时多种高精度、高分辨力的温度传感器已在相继推出与研制。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DSl624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0．03125℃，测温精度为正负0．2℃。

转换时间分别仅为27us。

．目前，国际上一些著名的IC厂家已开始研制单片测温系统，它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108—109元件／片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

1．传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

2．模拟集成温度传感器／控制器；

3．智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在二十一世纪九十年代中期闯世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A／D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器和只读存储器。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器；

并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

进入二十一世纪后智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、‘开发基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的，利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标的虚拟传感器和包含数字传感器、网络接口和处理单元的网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展”

1.2.2传感器检测技术概述及发展现状

工业设备在制造过程及整机性能测试中离不开各种机械量和几何量，有些工业设备在运行中还要经常对多种物理量进行检测或监视，实际生产、生活和科学实验中还会遇到化学量、生物量（包括医学），而所有这一切，从信号工程的角度来看，都需要通过传感器，将其转换成电信号（近代还可以转换成光信号），而后再进行信号的传输、处理、存储、显示、控制从信息的角度看，这些信号连同声音和图象信息都是信息的源头，所以传感器和检测仪表、测量仪表是信息科学技术的三部分（信息获取、信息传输、信息处理）中的重要部分。

在现代工业设备中，传感器和检测仪表是不可或缺的一部分的理由，还可由以下两方面来看：

传统的工业设备如在其上增加了必要的传感器，配备精密测量部件，则其功能和精度可以提高，便于用户操作和维护，安全等级也可以提高，设备可以增值；

工业设备作为自动化系统的控制对象或作为自动化系统的一部分，必须能与自动化系统的三部分相兼容或提供接口，使之集成为一个有机的整体，无论是单机自动化或作为大型自动化装置的一部分，都使该工业设备的用途扩大。

综上所述，作为工业设备本身增加传感器和检测仪表、测量仪表或提供接口，是传统设备更新换代的必要条件。

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。

新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业，是二十一世纪新的经济增长点。

微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器（如EJX变送器）。

微电子机械加工技术，包括微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术（X光深层光刻、微电铸和微复制技术）、激光微加工技术和徽型封装技术等。

MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。

传感器的检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器和微处理器及相关集成电路（运算放大器、A/D或D/A、存贮器、网络通讯接口电路）等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化、网络化。

目前主要是指采用多种现场总线和以太网（互联网），这要按各行业的特点，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Profibus、CAN、LonworkS、AS—imerbus、TCP／IP。

除MEMS外，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型盆子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等。

多传感器数据融合技术正在形成热点，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。

有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以至于融合，这是必然的趋势。

多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。

多传感器数据融合的定义概括为：

把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确定性，获得对被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。

其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层融合、特征层融合、决策层融合。

由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步推广应用。

应用领域除军事外，还适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。

1.2.3数据采集技术概述及发展现状

信息社会的发展，在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。

数字信号处理技术的出现改变了信息与信号处理技术的整个面貌，而数据采集作为数字信号处理的必不可少的前期工作在整个数字系统中起到关键性、乃至决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的各个领域中。

数据采集技术（DataAcquisition）是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。

将被测对象的各种参量检测采集后，转换成数字信号送到计算机进行存储、分析和处理，这一过程称为“数据采集”。

相应的系统称为数据采集系统。

根据系统结构的不同，数据采集控制系统可分为集中式数据采集系统和分布式数据采集系统，前者的特点是现场进行数据采集、处理与控制，上位机与被测对象的位置较进，时实性强，适用于上位机与被测对象距离较短目标采集，速度要求较高的场合。

后者对被测设备进行数据采集并转换成数字信号，经由现场总线上传至上位机，经上位机进行处理后，对现场设备进行控制，适用于对多个现场设备进行远程监控与维护的场合。

数据采集系统的任务：

采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。

与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

数据采集系统大多采用单片机作为微处理器，以此来测量各种参数的大小，并将测量值通过串口传输到上位机。

采用这种设计，系统制造简单、成本低。

本文就介绍了一种以MSP430单片机为核心的数据采集系统，Pt膜温度传感器的参数经过电路转换后成为可测量的参数，传给上位机完成Pt膜温度传感器性能参数的测量。

1.3本课题研究的内容

（1）通过查阅国内外相关文献资料，了解数字温度计的发展历程，对数字温度计的现状，技术水平和发展趋势有一个初步的认识和了解；

（2）研究温度传感器的理论原理和发展应用；

（3）研究温度的采集过程，将微弱的模拟信号进行放大，及其通过单片机处理过后怎样将温度显示出来；

（4）研究由于温度与电阻值的非线性变换，采用怎样的校正电路进行校正。

2总体设计方案

2.1提出总体设计方案

根据数字温度计题目的要求，提出以下几种方案：

方案一：

采用了最简单的方式，就是将传感器输出的信号，经过D/A转换后直接显示。

传感器

显示器

D/A

方案二：

采用MAXIM公司生产的DS18B20来采集温度，DS18B20是采用1—wire总接口的数字温度计，测量温度范围为-55℃—+125℃，精度可达到0。

0675℃，最大转换时间为200ns。

这器件可用一根引与处理器相连，以串行方式将数据送到处理器，经处理器处理后直接显示。

显示

单片机

DS18B20

键盘

方案三：

采用pt100热电阻作为温度采集的传感器，把采集到的温度直接送到atmega16单片机，经过atmega16单片机处理后送到显示器，显示器将显示采集的温度，

显示

放大器

Pt100温度传感器

2.2总体设计方案论证

四种方案的比较

（1）控制部分

方案二、三都采用了单片机作为控制，作为一种新型的微处理器，可以通过智能编程的方式，可以进行扩展，而且能够具有超温报警和自动控制功能。

而方案一没有采用控制，直接把温度显示出来就完了。

这样就只能完成对温度的显示。

（2）传感器部分

方案一、三的传感器可以选一样，可以选热敏电阻和其它的传感器，但我们这里选用了pt100。

方案二采用的传感器是DS18B20，这种传感器虽然硬件简单，但是成本较高。

所以没有采用这种传感器。

（3）显示部分

方案一采用的是一种将十进制转换成七段码的ADC，可以采用ICL7106来将采集到的温度进行显示，这种方案很简单，但是它的可控性很差，只能进行显示。

方案二、三都是采用了单片机在内部远算之后，才由显示部分显示出来。

在上面几种方案中，虽然它们各自有自已的优点，特别是第二种方案，它的硬件很简单，只要把程序写好，就能够运行了。

可是为了将学的知识系统的组合起来，我选择第三种方案，此方案不仅用到了单片机，还用到了模电和数点知识。

系统很容易进行扩展。

3铂电阻理论基础

3.1铂电阻的选取

早在十九世纪末，人们就开始使用电阻法进行温度测量。

1871年西门子（C．w．Simens）把铂丝绕在粘土上，然后再套上铁管构成电阻感温元件，作为测温的工具。

直到今天，铂电阻依旧是国际实用温标中的一种重要的内插仪器。

它的下限温度已经延伸到平衡氢三相点温度（13.81K），并且人们还在努力把它的上限点提高到银的凝固点（+961.93°

C）或金的凝固点（+1064.43°

C），并用它来替代精确度稍差的铂铹一铂标准热电偶。

3.1.1铂电阻的特点

任何物体的电阻都与温度有关，因此，都可以用它们来测量温度．但能满足实际要求的不多．因为实际温度测量元件不仅要求有较高的灵敏度而且要求有较高的稳定性和复现性，金属热电阻是最普遍的一种，其最大的特点是稳定性好，以铂电阻的精度最高．它不仅广泛用于工业测量，更重要的事它还能制成标准的和基准的温度计．铂热电阻的特点为：

（1）有较高的电阻一温度系数，表示为

（3.1）

式中，R为热电阻的阻值，dR/dt为热电阻的电阻值随温度的变化率．一般电阻温度系数与金属的纯度有关，金属愈纯则值愈大，电阻与温度的关系并非线性关系，故多用温度R100和R0的电阻比值RIOO／Ro代表0°

C一100°

C之间的平均温度系数，如

pt=3.96×

10-3[1/K]

Cm=4.33×

Nt=6.14×

（2）材料的电阻率大．这样可以是热电阻的体积做得更小，测温时的热惯性也小：

另外电阻率较大时，可用较短较粗的金属丝制造R0值较大的热电阻体，从改善机械性能和稳定性．如在0°

C时，则

pt=9.8×

10-8[.m]

Cm=1.6×

Nt=6.9×

（3）已得到高纯材料，易提纯，复制性好，互换性好。

（4）满足对温度传感器的基本要求．如灵敏度大，线性好，复现性高，响应时间小，价格便宜，物理化学稳定等优点。

3.1.2铂电阻的结构和性能

铂电阻常用的有两种：

杆式和囊式。

杆式的上限温度很高可使其温度范围在-183°

C—630°

C和O°

C—1100°

C，分别称为中温铂电阻和高温铂电阻。

囊式铂电阻的下限温度低，可使用于-263°

C—+200°

C，所以有称为低温铂电阻。

而在工业上广泛应用的铜铂电阻的测温范围为-50°

C—+100°

C（线性较好的温度范用）。

常见的铂热电阻是杆式铂电阻，它是由铂丝、绝缘架和保护套管组成。

铂热电阻通常用直径为0.03～0.07±

0.005毫米的铂丝单层绕制而成。

铂丝的直径大小将直接影响铂电阻的强度和它的热惰性的大小，同时，由于铂是贵金属，也影响其成本。

铂丝粗则强度好，热惰性大，成本就高。

铂电阻应采用无应力结构，也就是说，铂丝受热膨胀或冷却时都不受支架的约束。

因为金属的电阻与温度计的结构有关。

金属中的应力状态会改变它的电阻～温度特性。

此外，铂电阻一般是采用无感绕制的，要尽可能地减d、电阻中的电感值。

热电阻的电阻值不仅和制造热电阻的材料和导线的物理形状有关同时也和温度有关系．即它不仅和p、L、S有关还和温度有关。

当不考虑温度的影响时，导体的电阻值R可以用下面的关系式表示：

（3.2）

式中—电阻率（）

L—导线长度（cm）

S—导线截面积（cm2）

当考虑温度的影响时，而导体材料的电阻率随温度变化的关系为：

t=0（1+t）（3.3）

式中t—导线材料在温度为t°

C时的电阻率

0—导线材料在温度为0°

—导体材料的电阻温度系数（/°

C）

当温度改变时，L、S可以近似看作不变，导体的电阻可表示为：

Rt=R0（1+t）