基于铂电阻的温度测量电路的研究与设计

舒 望

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

目前，用于温度测量的装置，其结构主要由温度传感器、主机模块、显示电路等部分组成。其温度传感器主要采用热敏元件和数字式器件，采用热敏元件的温度测量装置，虽然传感器价格便宜，但分辨率比较低，一般只能达到0.1℃左右；采用数字式器件的温度测量装置，不仅电路简单，且分辨率较热敏元件有所提高，一般能达到0.06℃左右。但在某些分辨率要求更高的工业控制、科学实验、航空航天等场合，该数字式器件的温度测量装置就不能满足要求了。因此，找到一种高精度的热敏元件，配合相应的电路及控制程序能够实现高分辨率的温度测量，对现有的温度测量电路进行改进是非常有必要的。

1 铂电阻的测温原理

图1 温度测量电路结构框图Fig.1 Block diagram of temperature measurement circuit

铂电阻是用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2μm 以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成薄膜元件。它的电阻值会随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度。电阻值与温度的变化成正比的，称之为正温度系数，与温度成反比的，称之为负温度系数。铂电阻在冰点0℃时的电阻值称为标称电阻，常用的阻值有200Ω、500Ω、1000Ω。如型号为PT1000 的铂电阻，它是标称电阻为1000Ω 的正温度系数铂电阻。本设计为了提高温度测量的精度，采用阻值大的PT1000，它的温度特性曲线几乎为一条直线，具有很好的线性。利用铂电阻进行温度测量时，只需要对其电阻值进行测量，再根据它的阻值-温度对应表就可以通过查表的方式得到具体的温度。因此，温度的测量就转化成电阻值的测量了[1,2]。

进行铂电阻的阻值测量可让1mA 的恒流源为其供电。当电流流过电阻时就会在它的两端产生电压，再通过测量铂电阻的电压值，根据欧姆定律就可以计算出铂电阻的电阻值。设定恒流源的输出电流为1mA，当铂电阻的电阻值跟随温度发生变化时，由于恒流源的电流恒定不变，铂电阻两端的电压也会跟随电阻同比例变化。由于PT1000 的标称电阻为1000Ω，而恒流源的电流为1mA，在温度为0℃时铂电阻两端的电压为1V。

2 温度测量电路基本结构

根据图2 的测量模型，温度测量电路通过恒流源，将电阻的变化转化成电压的变化后，在电路中设计模数转换电路，将模拟电压转换成数字信号后送入单片机中，通过单片机的计算就可以转换成温度值，电路的结构框图如图1 所示[3]。

铂电阻转换后的电压信号经信号调理电路处理后，再送入模数转换电路，单片机获得铂电阻的电压值后，通过计算获得当前温度下的电阻值，再通过查表的方式测量出温度值。电路中数码管的作用是温度值的显示，电源电路为电路各部分提供所需的电压。

3 系统硬件设计

3.1 温度数字信号相关电路设计

本部分电路包括图3 所示电路中的恒流源、信号调理、模数转换电路，具体的电路如图2 所示。

如图2 所示，本设计中恒流源的输出电流只需要1mA，采用精密稳压器CJ431 实现恒流源，电路的输出电流约等于1mA，CJ431 的电压恒定在2.495V，忽略电阻的温漂，输出电流就可以恒定，达到恒流的效果。电路中电位器Rw2 的作用是调试时调节输出电流，使其大小在1mA。

图2 温度数字信号相关电路Fig.2 Temperature digital signal related circuit

信号调理电路的作用是利用差分输入的方式将铂电阻两端的点位转换成电压输出，并对模数转换电路的输入进行隔离。图3 中集成运放U7A 构成差分输入的减法运算电路，同相端和反相端分别连接铂电阻的两端，差分输入的方式既能提高共模抑制比，高输入阻抗又能避免后级放大电路对恒流源的影响，放大器引入负反馈能提高电路的稳定性。集成运放U7B 构成电压跟随器，其高输入阻抗和低输出阻抗，能实现隔离和缓冲的作用。

由于带测量的温度变化速率较慢，因而可以选用转换速率较低的A/D（模数转换器）器件，既能够降低成本，又提高了电路的稳定性。为提高温度测量值的精度，选用分辨率较高的16 位A/D，综合考虑以上性能要求后，本设计选用ADI 公司的AD7981。AD7981 是一款16 位的SPI 总线接口低功耗模数转换器，具有功耗低、外围电路简单的特点。本设计中模拟电压采用单极性输入的方式，因此A/D 器件的差分输入反相端接地，带转换信号从同相端输入。A/D 器件的参考电压与电源电路的模数参考电压电路相连，本电路的参考电压为5V。

本设计A/D 转换电路根据输入模拟电压的范围，参考电压采用5V，通过CJ431 精密稳压器获得5V 的精密基准电压。

3.2 单片机及数码管显示电路设计

图3 单片机及数码管显示电路Fig.3 SCM and digital tube display circuit

本设计中单片机主要完成数码管显示驱动、A/D 转换控制功能，而A/D 转换器件采用的SPI 总线与单片机相连，设计中对单片机I/O 资源需求较小，且显示和A/D 控制对控制器的要求较低，本项目选用成本较低、性能稳定的AVR 单片机。数码管显示电路的作用是完成温度值的显示，本设计采用显示亮度高、性能稳定的数码管作为显示器件。显示电路采用动态扫描的方式，具体电路如图3 所示。

如图4 所示，显示电路中数码管的字形码端与单片机的PD 端口相连，数码管采用共阳型在单片机PC 端口的控制下，由PNP 型三极管采用低电平的方式驱动。单片机的时钟采用外接晶振的方式，具有稳定、精确的特点。数码管显示电路由单片机的PC 和PD 端口控制，A/D 转换电路由单片机自带的SPI 接口控制，可以降低程序编写的难度。

3.3 电源电路设计

本设计中电源电路的种类较多，分别有5V、2.5V、±12V。单片机采用5V 供电，通过外接交流变压器，通过整流、滤波后，采用三端稳压器LM1117-5.0 实现5V 的稳压，由其给单片机和其他电路供电。A/D 转换电路的数字部分采用2.5V 供电，本设计将5V 通过，三端稳压器LM1117-2.5 实现2.5V 的稳压，具体的电路如图4 所示。

本设计集成运放采用±12V 的双电源供电，通过外接交流变压器降压、整流、滤波，三端稳压器MC7812、MC7912 稳压的方式实现。

4 系统软件设计

图4 电源电路Fig.4 Power circuit

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flowchart

本设计中单片机的控制主要有A/D 转换、数码管显示，对A/D 的控制通过单片机的SPI 总线实现，具体的控制流程如图5 所示。

5 结论

本论文设计的基于铂电阻的温度测量电路，通过铂电阻的线性温度特性来感知温度，通过恒流源为铂电阻供电，将电阻值的变化转换为电压的变化，再通过A/D 器将模拟电压转换为数字信号，从而测量出相应的温度。由于PT1000 阻值范围较大，配合高分辨率的A/D 器件，使得本设计的温度测量电路具有精度高、测温范围高的特点。