PT100電橋溫度測量電路Proteus仿真 TL431+OP07+LM324+LM393+74LS138

ID:1023486 · 發表于 2023-4-18 23:34

一、設計過程（原理、方案）

二、電路原理圖及其工作原理

三、調試過程

四、設計和調試中出現的問題及解決方法

一、設計過程（原理、方案）

1、總體設計

此項目包含五部分：測量電橋、電橋驅動電源、電壓放大電路、溫度限報警電路、顯示電路。

2、具體電路設計

1）電橋及電源驅動電路設計

圖2 電橋電路

基于恒流源的電橋電路如圖 1 所示, TL431和 R1 為OP07 提供恒壓源 Vref, R5 和 C1 作為電源濾波。同時R2, R3, R4, RT作為測量電橋, 通過檢測 A端和B端的電壓差 Vab來計算溫度的變化,根據集成運算放大器工作在線性區域的輸入端虛短特性, OP07的 2 端電壓等于3端電壓; 由于TL431、R5、 C1 為 OP07 的3 端提供了相對穩定的電壓源 Vref，根據集成運算放大器工作在線性區域的輸入端虛斷特性,流過 R4的電流只流經 Rt, 所以相當于有一個恒流源流經R4和Rt；當電橋達到動態平衡時,有:

R2 ·R4=Rt ·R3

通過計算可知:

Ua=Uerf，Uo=(Uref/R4) ·Rt +Uref=Uref(Rt/R4+1)

Ub=Uo·R3/(R3+R2)= Uref(Rt/R4+1)·R3/(R3+R2)

Uab=Uref-Ub= Uref- Uref(Rt/R4+1)·R3/(R3+R2)

= Uref·[1-(Rt/R4+1)·R3/(R3+R2)]

取R4=R3，R2=Rt0，Rt=Rt0+ΔRt

則電橋電路的輸出電壓Uab兩端的電壓為:

Uab=-Uref ·ΔRt / ( R2+R3 )

從而求得鉑熱電阻阻值變化量:

ΔRt=-Uab · ( R2+R3 ) /Uref

可見 ΔRt 與 Uo 成線性關系。

2）電壓放大電路設計

圖2電路中，取R3、R4等于0.51K，R2、Rt0等于100歐姆，又Uerf=2.5V

則 Uab=-4.2 X10-3 XΔRt

當溫度他t=0°C時ΔRt=0，Uab=0V

t=70°C時ΔRt=27.8歐 Uab=-0.1168V

因此，放大器所需的放大倍數為：A=3/0.1168=25

放大電路如圖3所示。由圖3可知，Rg上的電壓是V1-V2，IR3=IRg

Ua-Ub=(R10+VR3+R15)(Vo1-Vo2)/VR3

或Vo1-Vo2=(1+2R10/ VR3)(Ua-Ub)

Vo=R12/R11(Vo1-Vo2)= R12/R11(1+2R10/ VR3)(Ua-Ub)

所以 A= (1+2R10/ VR3) · R7/R6=A1 X A2

可取R8=4.7K，Rg=0.996K，則A1=10.42

取 R7=24K，R6=10K A2=2.4

則A=10.42x2.4=25

3)溫度報警及顯示電路設計

用比較器比較10℃、25℃溫度值，由138譯碼器譯碼，得到報警狀態：

t小于10℃；

t大于10℃，小于25℃；

t大于25℃；

比較閾值計算：

當t=0oC時，放大器輸出Vo=3V×10/70=0.42V

當t=25oC時，放大器輸出Vo=3V×25/70=1.71V

二、電路原理圖及其工作原理

1、整體電路原理圖

溫度測量采用鉑熱電阻（PT100）測量，將0oC ~70oC的溫度進行測量與放大，轉化為0-3V的電壓信號輸出。

2、各部分電路

（1）電橋電路

TL431所在的左下部分電路主要是為了提供3腳一個2.5V的電壓值，R5和電容的主要作用是濾波。溫度的變化可以通過計算Ua和Ub之間的電壓差計算得到。

（2）電壓放大電路

R6=10k,R7=24k,R8=4.7k,Rg=1k,第一部分的電橋電路的Ua，Ub分別輸入到電壓放大電路的Ua，Ub端口。并在VO處輸出一個電壓。

則Uab=4.2X103X△Rt

當溫度 t=0°C時△Rt=0,Uab=0V

t=70°C時△Rt=27.8歐Uab=-0.1168V

因此，放大器所需的放大倍數為：A=3/0.1168=25

V01-V02=(R8+R8+Rg)(V1-V2/Rg)或V01-V02=(1+2R8/Rg)(V1-V2)

V0=R7/R6(V01--V02)=R7/R6(1+2R8/Rg)(V1-V2)

所以A=(1+2R8/Rg)·R7/R6=A1*A2

可取R8=4.7K,Rg=1K.則A1=10

取R7=24.9K R6=10K、A2=2.5則A=10x2.5=25

（3）溫度顯示電路

用比較器比較10°C、25°C溫度值，由74LS138譯碼器譯碼，得到燈的狀態

當溫度小于10°C時，綠燈亮。

當溫度在10°C--25°C時，黃燈亮。

當溫度大于25°C時，紅燈亮。

三、調試過程

1、調節RV2、RV3，使得LM393的第2腳、第6腳的電壓分別為1.07V和0.42V。

2、改變RV1，將RV1調到最大值，記錄此時V0的數值。

V0=0.18

3、改變RV1，觀察燈的狀態，記錄相應狀態的數據，表格如下

V0	Ua	Ub	燈的狀態
0.18	2.49	2.49	紅
臨界狀態（0.42）	2.49	2.51	紅、綠
0.47	2.49	2.51	綠
臨界狀態（1.70）	2.49	2.53	綠、黃
1.22	2.49	2.53	黃

其中一組數據圖片：

四、設計和調試中出現的問題及解決方法

1、LM324 3腳輸出電壓不為2.5V。

原因：LM324焊接不到位，再次焊接后輸出成功。

2、放大電路中LM324 1腳輸出電壓為3.8V。

原因:4腳未接5V輸入，并且多處虛焊。重新焊接后電壓正常。

3、顯示電路中三個燈不亮,74LS138接三個燈的15腳,14腳,12腳的電壓均為5V。

原因:芯片壞掉，更換芯片后電壓正常。

五、心得體會

通過本次設計，我確實學習到了好多東西，對于模電中所學的測量放大器，以及，模擬集成運算放大器有了更深一步的理解，并學會了將理論知識向實際應用的轉變，并且由于設計的需要，我還將數字電路進行了簡單的了解。本次設計中，我還學會了去查閱各種資料，包括各種使用過的芯片，都可以通過互聯網查閱到相關的使用手冊，十分方便，也加速了設計的速度，少走了好多彎路，避免了將時間花費在實際測試探索，從而有充分的時間去改進電路，在電路調試中，我又加深了模電課中所學到的有關于電路的頻率響應特性的相關知識，同時，看到自己做的實際電路在經過反復的測試后終于達到預期的效果而感到十分的欣慰與自豪。

在實際調試中我遇到很多問題，剛開始的時候感覺很煩躁，但是，還要解決問題，于是慢慢靜下心來分析原因，再結合所學的理論知識與實際中的現象，慢慢還是找到了問題的所在，可以說，通過這次設計，我學到的不僅僅是知識了，還學會了分析問題的方法，我很榮幸能有做這次設計的機會，我也很珍惜這次鍛煉自己的機會。相信下次能做的更好！

Proteus8仿真工程與word:

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