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    PT100溫度傳感器的應用

            PT100溫度傳感器這是一種穩定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器,可以工作在 -200℃ 至 850℃ 的范圍.本電路選擇其工作在 -19℃ 至 500℃ 范圍.整個電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機 A/D 轉換和顯示,控制,軟件非線性校正等部分.


    前置放大部分原理圖如下:


     bfa49a78a1bdaeed3d0783846ecd6433.jpg


     

    工作原理:


               傳感器的接入非常簡單,從系統的 5V 供電端僅僅通過一支 3K92 的電阻就連接到 PT100 了.這種接法通常會引起嚴重的非線性問題,但是.由于有了單片機的軟件校正作為后盾,因此就簡化了傳感器的接入方式.

    按照 PT100 的參數,其在 0℃ 到 500℃ 的區間內,電阻值為 100 至 280.9Ω,我們按照其串聯分壓的揭發,使用公式:Vcc/(PT100+3K92)* PT100 = 輸出電壓(mV),可以計算出其在整百℃時的輸出電壓,見下面的表格:


    溫度 ℃

    PT100 阻值 Ω

    傳感兩端電壓 mV

    0

    100.00

    124.38

    1

    100.39

    124.8

    50

    119.40

    147.79

    100

    138.51

    170.64

    150

    157.33

    192.93

    200

    175.86

    214.68

    250

    194.10

    235.90

    300

    212.05

    256.59

    350

    229.72

    276.79

    400

    247.09

    296.48

    450

    264.18

    315.69

    500

    280.98

    334.42


               單片機的 10 位 A/D 在滿度量程下,最大顯示為 1023 字,為了得到 PT100 傳感器輸出電壓在顯示 500 字時的單片機 A/D 轉換輸入電壓,必須對傳感器的原始輸出電壓進行放大,計算公式為:(500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓( mV/℃ ) ,(Vcc=系統供電=5V),可以得到放大倍數為 10.466 。
     

    關于放大倍數的說明:

               有熱心的用戶朋友詢問,按照 (500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓不能得到 10.466 的結果,而是得到 11.635的結果。實際上,500 個字的理想值是無法靠電路本身自然得到的,自然得到的數字僅僅為 450 個字,因此,公式中的 500℃ 在實際計算時的取值是 450 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47 。其實,計算的方法有多種,關鍵是要按照傳感器的 mV/℃ 為依據而不是以被測溫度值為依據,我們看看加上非線性校正系數:10.47*1.1117=11.639499 ,這樣,熱心朋友的計算結果就吻合了。運算放大器分為兩級,后級固定放大 5 倍(原理圖中 12K/3K+1=5),前級放大為:10.465922/5=2.0931844 倍,為了防止調整時的元器件及其他偏差,使用了一只精密微調電位器對放大倍數進行細調,可以保證比較準確地調整到所需要的放大倍數(原理圖中 10K/(8K2+Rw)+1)。


               通常,在溫度測量電路里,都會有一個“調零”和另一個“調滿度”電位器,以方便調整傳感器在“零度”及“滿度”時的正確顯示問題。本電路沒有采用兩只電位器是因為只要“零度”調整準確了,就可以保證整個工作范圍的正確顯示,當然也包括滿度時的最大顯示問題了。


               那么,電路中對“零度”是如何處理的呢?它是由單片機程序中把這個“零度”數字直接減掉就是了,在整個工作范圍內,程序都會自動減掉“零度”值之后再作為有效數值來使用。當供電電壓發生偏差后,是否會引起傳感器輸入的變化進而影響準確度呢?供電變化后,必然引起流過傳感器的電流發生變化,也就會使傳感器輸出電壓發生變化?墒,以此同時,單片機的供電也是在同步地接受到這種供電變化的,當單片機的 A/D 基準使用供電電壓時,就意味著測量基準也在同步同方向發生變化,因此,只要參數選擇得當,系統供電的變化在 20% 之內時,就不會影響測量的準確度。(通常單片機系統并不允許供電有過大的變化,這不僅僅是在溫度測量電路中的要求。)
     

    后級單片機電路的原理圖如下:


     489827f8af92543a53064623548f3335.jpg

     

               從傳感器前置放大電路輸出的信號,就送入到 HT46R23 的 A/D 轉換輸入端口(PB0/AN0),由單片機去進行各種必需的處理。首先是進行軟件非線性校正,把輸入信號按照不同的溫度值劃分為不同段,再根據其所在的段分別乘以不同的補償系數,令其與理論值盡量接近,經過非線性校正的數字,才被送去進行顯示,比較用戶設定的控制值等等。


               各段的非線性補償系數見下列表格(僅僅列出主要段的數據,非全部表格內容):

    傳感電壓


    傳感電壓

    mV/℃

    內部AD讀數

    校正系數

    124.3781

    供電電阻=3K92±1%,供電電壓=5.000V±1%

    124.8450

    0.4670

    1.00

    1.0000

    147.7942

    0.4683

    50.14

    0.9972

    170.6414

    0.4626

    99.06

    1.0095

    192.9326

    0.4570

    146.80

    1.0218

    214.6802

    0.4515

    193.36

    1.0343

    235.8961

    0.4461

    238.79

    1.0469

    256.5918

    0.4407

    283.11

    1.0597

    276.7898

    0.4355

    326.36

    1.0724

    296.4779

    0.4302

    368.52

    1.0854

    315.6891

    0.4251

    409.65

    1.0985

    334.4220

    0.4201

    449.76

    1.1117

     

               本電路還有一個特點,就是用戶可以在工作范圍內,任意設定 3 個超限控制值。當測量顯示值大于設定值的時候,對應的控制端口就會輸出高電平。利用這個高電平信號,再外接一級三極管驅動繼電器的電路,就可以實現自動控制。在某一個控制端口輸出高電平的同時,與之串聯的 LED 發光管會同時點亮,以便提示使用者是哪一個設定值在輸出控制信號。電路中的 24C02 是電存儲器,可以把使用者設定的控制值可靠地保存起來,即使掉電也不會丟失數據。


               電路圖中還有 3 只按鍵,它們分別是“設定”、“加置數”和“減置數”操作按鍵,用于使用者進行超限值的設置。使用方法如下:


               按動一下設定鍵,屏幕顯示“1--”,表示現在進入第一個超限值的設置,三秒后屏幕自動跳轉到顯示“***”并閃爍(*** 代表原來電存儲器里儲存的超限數值),然后,按壓加數鍵(或減數鍵),屏幕上的最低位的數字就會加一(或減一),如果按住按鍵三秒以上不放開,屏幕上的前兩位數字就會快速進行加數(或減數)。把屏幕上的數字調整到所需要的數字后,這個超限值就設置完成了。


               接著,再按動一下設定鍵屏幕顯示“2--”,表示現在進入第二個超限值的設置,三秒后屏幕自動跳轉到顯示“***”并閃爍....,接下來的操作與第一個超限值的操作完全一樣。第三個超限值的設置與上面兩個完全一樣。當設置好 3 個超限值之后,還必須最后按動一下設定鍵,退出設定狀態而返回正常工作狀態。如果忘記了這最后一次按動退出的操作,程序就會等待 10 秒之后,自動返回正常工作狀態。


    簡易調試方法:

               可以使用 100Ω 的電阻來模擬 PT100 在 0℃ 的阻值,接入傳感器輸入端,看看顯示是否 =000,如果不對,可以調整微調電位器來達到;然后用一只 281Ω 的電阻來模擬 PT100 在 500℃ 時傳感器的電阻值,顯示應該在 500 字±1字;最后,使用一只 194Ω 的電阻來代替 250℃ 傳感器電阻輸入,應該顯示 250±1 字.如果經過上面調試沒有問題,就可以接入真正的 PT100 傳感器投入使用了。(真正的傳感器也有誤差,可以微調一下前置放大的電位器來校正它。)


               在實際工作中,要求電路的供電電壓為 5V±5%.如果測量顯示值大于某一個超限值,對應的控制端口就會立即輸出高電平。如果傳感器發生開路故障,顯示就會出現"HHH",如果傳感器及其引線發生了短路,顯示就會立即出現"LLL".為了防止傳感器出現開路或者短路之后可能會引起的不良后果,這時候,3 個控制輸出端口都會優先關閉。


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