Pt100鉑電阻測溫電路(穩(wěn)定版)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上常用電路圖 R2、R3、R4 和Pt100 組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431 穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號(hào)通過兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3 可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。 放大電路采用LM358 集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，如圖 5.1 所示，前一級(jí)約為10 倍，后一級(jí)約為3倍。溫度在0100 度變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓Av 對(duì)應(yīng)升

2、高。 注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過TL431 穩(wěn)壓，但是整個(gè)模塊的電壓VCC 一定要穩(wěn)定，否則隨著VCC 的波動(dòng)，運(yùn)放LM358 的工作電壓波動(dòng)，輸出電壓Av 隨之波動(dòng)，最后導(dǎo)致A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動(dòng)，測量結(jié)果上下跳變。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為： 式中，A=0.；B=-0.；C=0.42735。可見Pt100 在常溫0100攝氏度之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡化為：RPt=100（1+At），當(dāng)溫度變化1 攝氏度，Pt100 阻值近似變化0.39 歐。Pt100 的分度表（0100） 程序處理 一般在使用PT100 的溫度采集方案中，都會(huì)對(duì)放大器LM358 采集來的模擬信號(hào)AV進(jìn)行

3、溫度采樣，即進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 處理包括兩方面內(nèi)容，一是A/D 值的濾波處理，二是A/D 值向?qū)嶋H溫度轉(zhuǎn)換。由于干擾或者電路噪聲的存在，在采樣過程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)采樣信號(hào)與實(shí)際信號(hào)存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號(hào)的高低波動(dòng)，為了減小這方面原因造成的測量誤差，在實(shí)際采樣時(shí)采樣18 個(gè)點(diǎn)，然后再除去其中偏差較大的兩個(gè)點(diǎn)，即一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再對(duì)剩余的16 個(gè)點(diǎn)取均值，這樣得到的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實(shí)際值。 在對(duì)數(shù)值進(jìn)行濾波操作之后，還要將A/D 值轉(zhuǎn)換為溫度，常用的兩種方法為查表法和公式法：查表法比較麻煩，而且精度也不高，適合于線性化較差的NTC 溫度傳感器；公式法比較簡單，只需要確定比

4、例系數(shù)K 和基準(zhǔn)偏差B 即可，適合于線性化較好的傳感器 溫度轉(zhuǎn)換的C 語言實(shí)現(xiàn)過程為：fT = (ADC_data * K) B; /換算成溫度值。 得到溫度后，一般還會(huì)對(duì)被控對(duì)象根據(jù)實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，要又要設(shè)計(jì)到控制算法，如：模糊控制、PID 調(diào)節(jié)等。這里簡單介紹一下PID 控制原理，更多內(nèi)容請(qǐng)察看相關(guān)書籍。PID 工作原理 PID（Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對(duì)于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的

5、工業(yè)過程也可應(yīng)用，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。 由于來自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對(duì)象值(以下簡稱被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會(huì)將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID 控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡稱SP 值)進(jìn)行比較得到偏差值(以下簡稱e 值)，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨向于給定值(SP 值)，以達(dá)到控制目的 ，如圖所示，其實(shí)PID 的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差（e 值）進(jìn)行比例、積分

6、、微分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過程。 溫度控制PID 算法設(shè)計(jì) 利用了上面所介紹的位置式PID 算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進(jìn)行相減得偏差，然后再對(duì)之進(jìn)行PID 運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果fOut，然后讓fOut 控制定時(shí)器的時(shí)間進(jìn)而控制加熱器。為了方便PID 運(yùn)算，首先建立一個(gè)PID 的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型用于保存PID 運(yùn)算所需要的P、I、D 系數(shù)，以及設(shè)定值，歷史誤差的累加和等信息：typedef struct PIDfloat SetPoint; / 設(shè)定目標(biāo) Desired Valuefloat Proportion; / 比例系數(shù) Proportiona

7、l Constfloat Integral; / 積分系數(shù) Integral Constfloat Derivative; / 微分系數(shù) Derivative Constint LastError; / 上次偏差int SumError; / 歷史誤差累計(jì)值 PID;PID stPID; / 定義一個(gè)stPID 變量PID 運(yùn)算的C 實(shí)現(xiàn)代碼float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint )int dError,Error;Error = pp->SetPoint*10 NextPoint; / 偏差，設(shè)定值減去當(dāng)前采樣值pp->SumError +=

8、Error; / 積分，歷史偏差累加dError = Errorpp->LastError; / 當(dāng)前微分，偏差相減pp->PrevError = pp->LastError; / 保存pp->LastError = Error;return (pp->Proportion * Error+ pp->Integral * pp->SumError pp->Derivative * dError);其中(pp->Proportion * Error)是比例項(xiàng)；(pp->Integral * pp->SumError)是積分項(xiàng)；(p

9、p->Derivative * dError)是微分?；赑tl00鉑熱電阻的溫度變送器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用和科學(xué)研究中是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在工業(yè)控制過程中需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行溫度監(jiān)測，防止控制對(duì)象由于溫度過高而損壞，因此溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測就顯得更加重要。對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測有利于對(duì)控制對(duì)象的及時(shí)檢查、保護(hù)，并及時(shí)調(diào)整溫度的高低。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有所變化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。因鉑熱電阻具有測量范圍大，穩(wěn)定性好，示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)采用PtlOO鉑作為溫度感測元件，進(jìn)行溫度傳感器

10、的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的420 mA電流信號(hào)，既省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，又提高了信號(hào)長距離傳送過程中的抗干擾能力。l Ptl00鉑概述    電阻值隨溫度的變化程度稱為溫漂系數(shù)，大部分金屬材料的溫漂系數(shù)是正數(shù)，而且許多純金屬材料的溫漂系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)保持恒定，具體應(yīng)用中選用哪一種金屬材料(鉑、銅、鎳等)取決于被測溫度的范圍。金屬鉑(Pt)電阻的溫度響應(yīng)特性較好，成本較低，可測量溫度較高；它在0 的額定電阻值是100 ，是一種標(biāo)準(zhǔn)化器件。工作溫度范圍：-200+850 ，考慮到工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測量范圍為0120。因?yàn)闊崦綦娮璧淖柚岛?/p>

11、溫度呈正比關(guān)系，只需知道流過該電阻的電流就可以得到與溫度成正比的輸出電壓。根據(jù)已知的電阻-溫度關(guān)系，可以計(jì)算出被測量的溫度值。Ptl00溫度感測器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度檢測器，其電阻和溫度變化的關(guān)系式為：    式中：R0為O 下的電阻值，R0=10O ；T為攝氏溫度。    因此，用鉑做成的電阻式溫度檢測器，又稱為Ptl00溫度傳感器，即：        顯然，電阻與溫度呈非線性關(guān)系，但當(dāng)測量精度要求較低時(shí)，電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系可以簡化為： 

12、0;      實(shí)際應(yīng)用中，Ptl00的連接方式可以為兩線制、三線制或四線制。該系統(tǒng)采用三線制接法即可滿足要求。二線制連接時(shí)，由于引線電阻與Ptl00串聯(lián)，增大了電阻，會(huì)影響測量；三線制連接時(shí)，對(duì)Ptl00額外增加了第三條線，由于引線電阻具有相同特性，能夠?qū)€電阻進(jìn)行補(bǔ)償；四線制連接時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)Kelvin檢測，消除了兩線連線的壓差。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理    對(duì)PtlOO溫度傳感器進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。其整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。    圖1中，利用鉑熱電阻特性來，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；

13、再通過Vl轉(zhuǎn)換單元，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為420 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，這樣既省去昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，又提高了信號(hào)長距離傳送過程中的抗干擾能力；在單片機(jī)系統(tǒng)上再由電流電壓轉(zhuǎn)換芯片RCV420將420 mA轉(zhuǎn)換為O5 V電壓信號(hào)。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。CPU主要完成對(duì)AD采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括AD值的濾波處理和AD值向?qū)嶋H溫度轉(zhuǎn)換，最后送給顯示器顯示。3 硬件設(shè)計(jì)    硬件組成主要由穩(wěn)定電源電路、運(yùn)算放大電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路四個(gè)部分組成。31

14、穩(wěn)定電源電路    穩(wěn)定電源電路如圖2所示。LP2951是S1PEX公司推出的低功耗電壓調(diào)節(jié)器，非常適用于一些電池供電系統(tǒng)，如無繩電話、無線控制系統(tǒng)及便攜式電腦。具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性(輕微負(fù)載時(shí)，壓差為50 mV；100 mA負(fù)載時(shí)，壓差為380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般05)，非常良好的負(fù)載及線路調(diào)節(jié)特性(一般005)，并具有非常低的溫度系數(shù)(20 ppm)，因此非常適合用作低功耗電壓源。LP-2951可以通過引腳連接得到5 V電壓，使用內(nèi)部分壓器通過引腳1(輸出)及引腳2(Sense)及引腳7(反饋)到引腳6(5 V端)，獲得輸出、

15、Sense、反饋、5 V端電壓。同樣，還可以通過1235 V的參考源獲得其他輸出電壓，最大30 V。 32 主電路分析    R7，R8，R4，RP1和Ptl00組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓由LP2951電源芯片來提供。從電橋獲取的差分電壓信號(hào)通過兩級(jí)運(yùn)放放大后，再經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為420 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，因?yàn)锳D只能采集電壓信號(hào)，所以在信號(hào)進(jìn)行AD采集前，再通過芯片RCV420將420 mA轉(zhuǎn)換為O5 V電壓信號(hào)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻RP1，通過調(diào)節(jié)RP1，可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)

16、大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。放大電路采用LM258集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，其中可調(diào)電阻RP2用于調(diào)節(jié)放大電路的增益。溫度在O+120 變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Ptl00阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓對(duì)應(yīng)地升高，輸出電流也相應(yīng)變大。實(shí)際選用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00阻值變化引起的測量電流變化不大，獲得近似恒流法的線性輸出。33 電流電壓轉(zhuǎn)換電路    RCV420是美國B-B公司生產(chǎn)的一種精密電流電壓變換器，它能將420 mA的環(huán)路電流變換成O5 V的電壓輸出。作為一種單片集成電路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10 V基準(zhǔn)電壓源。在不需要外調(diào)整的情況下，可以獲得86 dB的共模抑制比和40 V的共模電壓輸入，在全量程范圍內(nèi)，輸入阻抗僅有15 V的壓降，對(duì)于環(huán)路電流具有很好的變換能力。4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)論    由于萬用表、溫度測試儀等測量工具存在誤差，很明顯，從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)斜率K1近似等于理論斜率，即在工業(yè)誤差(-05+