基于Pt100铂热电阻的温度检测器设计报告

设计者：郭桂武

一、设计任务与要求

1．了解电子线路的应用；

2．掌握基本的电子线路的设计过程及方法；

3．设计一个温度测量电路可以实现对外界环境温度的检测；

4．测量温度范围0°-70°；

5．0-7V 对应温度范围为0°-70°。可用万用表观察；

6．温度传感器给定，采用Pt100热敏电阻；

7．提供元器件LM358、TL431、阻容元件；

8．完成电路设计及仿真。通用电路板上对设计的电路图进行实物连接和调试。

二、方案设计与论证

1. 硬件框图以及简要原理概述

图1 硬件框图

本电路通过电源模块给温度感应模块提供一个稳定的电源使其正常工作。通过隔

离网保证电源模块和温度感应模块的工作不受后置模块的影响。再将温度感应模块产生的信号通过信号放大模块就行放大，最后将放大的信号送到加减运算放大模块得到一个设定好的电压值。 2. 电源模块以及温度感应模块的设计方案

本电路是基于热敏电阻Pt100的温度检测电路，Pt100的电阻值会随着温度的变化而变化，故电源模块可设计一个横流源电路使得通过Pt100

的电流恒定不变，这时当温度变化时

Pt100的阻值发生变化，

电压也就能发生相应的线性变化。只要通过对Pt100两端的电压进行处理就能测得外界环境的温度。 电源模

块

隔离网络模块 信号放大模块

加减运算放大模块

温度感应模块

本电路中恒流源电路是基于TL431稳压集成电路设计的高精度恒流源，电路图如图1所示。当TL431两端接上电压后其参考极将输出稳定的2.5V的电压，但是TL431的阴极和阳极不能直接接在电压上所以需要串上一个电阻进行分压，本电路中使其串上500Ω的电阻。当TL431的参考极和地端之间接上一个电阻时该之路的电流就是一个恒定的电流，这时再如图中所示接上一个处于放大区的三级管使其发射极和集极的电流近乎相等，这时通过连接在集极的Pt100热敏电阻的电流就是恒定值。由于通过Pt100的电流需要在1~1.5mA内，以及为了计算的方便，在本电路中理想情况下我们要使通过Pt100的电流约为1mA。

3.隔离网络模块

为了使后面的模块不影响电源模块和温度感应模块的正常工作需要将后面的模块和这两个模块隔离开来，一下设计了两种方案。

方案一：

图3隔离网络设计方案一

该方案能将电源模块和温度感应模块和后面的模块彻底的隔离开来，减小误差，但是这样成本比较高，后面的信号放大模块和加减运算模块只需要两个集成运放，而LM358P一个芯片只集成了2个运放，如果隔离网络用掉3个运放就必须用掉5个运放，也就需要3个LM358P芯片，而这样还会剩余一个运放没有用上又照成了浪费，所以这个方案虽然能在很大程度上减少误差，但是制作成本比较高。

方案二：

图4 隔离网络设计方案二

在方案一中我们使用了三个集成运放需要3个LM358P芯片，照成了浪费，为了节省成本减少了一个运放，这样整个电路只需要2个LM358P芯片。考虑到把后端电路对前端电路照成的影响尽量减小，我们必须使经过Pt100的电流保持恒定，而且还要尽量和经过R2的电流相等，考虑到这两个因素去掉方案一中的第一个运放对这个电路的影响最小。故综合考虑，选取该方案作为最终方案。

4.信号放大模块

由于热敏电阻Pt100的电阻对温度的改变量比较小只有几十欧姆的变化（Pt100分度表如表一所示），所以其两端的电压差相对来说是一个很小的值，所以需要对该电压信号进行放大。

表一Pt100分度表

图5 信号放大模块

该模块中使用的运放依旧是LM358P，同相输入的通过一个电阻和和Pt100的一端相连，反相端通过一个电阻和一个电压跟随器和Pt100的另一端相连，通过设置R4、R6、R7、R8的阻值以及调节电位器R13的阻值可以设定和改变其放大倍数，电位器R13的作用主要是电路的调零，使得电路最终输出电压尽量接近设定值。根据Pt100的温度特性以及恒流源提供的电流值和TL431参考端提供的恒定的电压值，在理想情况下可以将该放大模块的放大值设为25倍左右，使得当温度为0度时该信号放大模块输出端的电压正好为2.5V，就能通过减法器和TL431参考端2.5相减得到初始值0V 的电压，这样当温度变化时电路的最终的输出端的电压就可以随温度的改变发生相应的线性变化。

5.加减运算模块

该模块依旧使用LM358P的集成运算放大器对放大后的信号进行处理，使得最终得到的电压值是一个设定好的值，如当温度为0度时最终的输出端电压为0，当温度为10度时输出端电压为1，依次类推。这样我们就能通过测量最终的输出电压来直观的得知周围环境的温度。

图6 加减运算模块

如图6所示，该模块的同相输出端通过电阻R9和信号放大模块的输出端相连，反相输出端和TL431的参考端相连，使得两电压值相减并放大一定倍数后输出设定的电压值。根据Pt100的温度特性可计算得该模块需要放大的倍数为10.4倍，这样就能使输出电压约为检测到的温度的0.1倍，具体计算过程在下一部分的内容中会给出。

三、单元电路设计与参数计算

1.电压模块和温度感应模块参数设定与仿真调试

图7 电源模块调试

用于分压的R1区标称值510 KΩ。R2的阻值根据公式I=V/R2，为产生1mA的电路需要设定R2的阻值为2.5KΩ，但是没有2.5 KΩ不是标称值，于是直接选用标称值2.4 KΩ的电阻。对于R5的阻值，考虑到Pt100两端的电势不宜太高（Pt100两端均与集成运放相连，如果接入集成运放的电压过高，接近电源电压12V或者输出电压接近12V会使集成运放无法正常工作），以及三级管Q1需要工作在放大区，R5的值可相应取高点，大概可取2 KΩ到8 KΩ之内的阻值，这里取4 KΩ进行仿真。仿真时测得TL431参考极的电压为2.494V相当接近2.5V，通过Pt100的电流值为1.028mA和1mA的差值在误差允许范围内，可通过后面信号放大模块中电位器的调节来进一步消除误差。故通过仿真电压模块和温度感应模块的参数设定恰当，电路能按照预先设定的状态工作。

2.隔离网络模块参数设定和仿真调试

图8 隔离网络模块调试

该模块通过用LM358P的集成运放搭建的电压跟随器电路构成一个隔离网络，直接用最简单的方法搭建网络，一个电阻都不需要。通过仿真测得U2A的输出端口和同相输入端口的电压均为6.734V，U2B的输出端口电压为2.494，与之前在TL431参考极两端的电压值相等，故该模块设定正常，模块电路正常工作。

3.信号放大模块的参数设定以及仿真调试

图9信号放大模块调试

由于Pt100在0度的情况下阻值为100Ω，通过1mA的电流后电压为0.1V，为了使其放大后的电压和标准的2.5V相减后输出0V的初始电压，故该模块的放大倍数设置为2.5V/0.1V=25倍。但是由于电路中各个因素照成的误差的影响，需要在这个模块中添加一个电位器来调整放大倍数，实现调零作用，减少误差。

该模块中的阻值先安装理论上的25倍来设定，先令R7=R8+R13，R4=R6，根据公式，该运放的放大倍数为R7/R4，故取R7= R8+R13=25KΩ,R4=R6=1KΩ，R13使用5 KΩ精准电位器，R8使用22 KΩ的电阻。通过仿真测得U3A的输出电压会随着R13阻值的变化而变化，当R13的阻值正大时输出电压减小，R13阻值减小时输出电压增大，输出电压可以调整到2.5V左右，故该模块工作正常，能实现设定的功能。

4.加减运算模块的参数设定以及仿真调试

图10加减运算模块调试

为了使相减后输出端的电压值是温度的0.1倍以便直观的得出温度值，故温度每变化10度输出电压变化1V。根据Pt100的分度表得知温度每变化10度Pt100的电阻平均增加(134.71-100)/9=3.857Ω，通过1mA的电流时Pt100两端的电压增加3.857mV，再经过信号放大模块放大25倍后电压增量为0.09V，故可将该加减运算模块的放大倍数设定为1V/0.09V≈10.4倍。

对于阻值的设定，可令R11=R12，R9=R10，根据公式电压放大倍数为R12/R10，则取R11=R12=10.4KΩ，R9=R10=1KΩ。经仿真调试，可将Pt100的阻值先设置为100Ω，经过对R13阻值的调整可将该模块的输出电压调到尽量接近零，但是由于各种误差的原因，为了让其输出电压约为温度的0.1倍，还需要调整其他温度情况下的输出电压，依旧是要通过R13的调节来实现，最终可调整到一个能尽量让输出电压是温度的0.1倍的情况，表明该模块工作正常，能按照设定的情况输出电压，同时也正面整个电路设计成功。

四、总原理图及元器件清单

1.总原理图

图11 温度检测电路总原理图

五、性能测试与分析

做实际的电路板时为了调零的需要先将Pt100用100Ω的电阻来代替，模拟出一个外界温度为0℃的环境，以便于通过对电位器的调节使其输出电压为0V。先检查电路各个模块是否能正常工作，如T431的参考极的电压是否为2.5V，代替Pt100的100Ω电阻两端的电压是否是0.1V，通过对信号放大模块中的电位器的调节是否能正常影响信号放大模块和运放加减模块的输出电压。将电路板调试正常后，调节电位器使电路最终输出端的电压降到0V，但是在实际调节中输出电压调节到0.6V时就没有办法继续下调了，由于输出电压是随电位器的电压上升而下降的，故可能是和电位器串联的电阻R8设置得太小了。将100Ω电阻拆下换上Pt100热敏电阻进行实际测量,测得电压为2.1V，测得的温度为21℃，而这时用标准的温度传感器测得的温度也为21℃，在用Pt100测体温，测得3.6V，为36℃，误差很小，电路设计成功。故前面的0.6V的误差可能是其他原因照成的，但是由于没有尝试其他标准温度的测量还不能对产生误差的原因进一步分析。

六、结论与心得

1.结论：

根据电路板的测试结果表明电路工作正常，能实现设定的功能，达到指标要求，但是对低温的测量可能存在着较大的误差。

2.心得：

通过这次的课程设计我掌握了一些简单的设计过程和调试方法。在设计一个电路时可以先查阅相关资料，然后先确定电路中各个模块要实现的功能以及基本指标，再对各个模块进行初步设计，确定对各个模块中的器件的型号和常数，最后将各个模块联系起来再进一步进行调整。将设计好的电路放到仿真软件上进行仿真，观察电路以及各个模块能否按设定的状态工作，能否实现设定的功能，最终结果是否正确，如果出现哪里没有按照预定的状态工作再进行进一步的改正，直到电路能正常的实现所有的功能。将实际电路做出来后要对其进行调试，调试时可先测试最终的输出能否达到预想的结果，电路不能正常工作是要对电路的各个模块进行检查，可以和软件仿真调试时一样检查各个模块是否正常工作，找到工作不正常的模块后，对该模块的各个性能指标以及各点输入输出是否正确，然后分析可能产生错误的原因后再进行进一步的排查和调试。然后不断的重复以上对实际电路的调试过程，直到电路全部正常工作。

在对各个模块进行检测时可先检测电源模块是否正常工作，因为很多错误都是电源部分出问题导致或可以影响并反映在电压部分上，如在这次的调试过程中发现大多数同学的电路出现问题都是电源的问题，要么是TL431烧坏了，要么是芯片烧坏了影响到了TL431的参考极的电压，导致电源部分异常。本电路可以检测TL431参考极的电压是否正确，发现不正确可先将芯片（尤其是做隔离网络模块的芯片）取出后检测参考极的电压是否正常，如果发现正常，说明很可能是芯片烧坏了，如果发现电压还是不正确，那很可能是TL431烧坏了，更换器件后再次检查电源部分是否正确，如果发现不正确再排查其他可能性。

七、参考文献[1]谢嘉奎.电子线路线性部分.北京：高等教育出版社，1999.323.324.