PT100應(yīng)用的電路及相關(guān)例題

1、PT100應(yīng)用電路及例子使用溫度傳感器為 PT100,這是一種穩(wěn)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 650 的范圍.本電路選擇其工作在 -19 至 500 范圍.整個(gè)電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)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:工作原理:傳感器的接入非常簡(jiǎn)單,從系統(tǒng)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(huì)引起嚴(yán)重的非線性問題,但是.由于有了單片機(jī)的軟件校正作為后盾,因此就簡(jiǎn)化了傳感器的接入方式.按照 PT100 的參數(shù),其在 0 到 500 的區(qū)間內(nèi),電阻值為

2、 100 至 280.9，我們按照其串聯(lián)分壓的接法，使用公式：Vcc/(PT100+3K92）* PT100 = 輸出電壓（mV），可以計(jì)算出其在整百時(shí)的輸出電壓，見下面的表格： 溫度 PT100 阻值 傳感兩端電壓 mV0100.00124.381100.39124.850119.40147.79100138.51170.64150157.33192.93200175.86214.68250194.10235.90300212.05256.59350229.72276.79400247.09296.48450264.18315.69500280.98334.42單片機(jī)的 10 位 A/D 在

3、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(shí)的單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換輸入電壓，必須對(duì)傳感器的原始輸出電壓進(jìn)行放大，計(jì)算公式為：(500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓( mV/ ) ，（Vcc系統(tǒng)供電5V），可以得到放大倍數(shù)為 10.466 。關(guān)于放大倍數(shù)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(jié)果，而是得到 11.635的結(jié)果。實(shí)際上，500 個(gè)字的理想值是無(wú)法靠電路本身自然得到的，自然得到的數(shù)字僅僅為 450 個(gè)字，因此，公式中的 500 在實(shí)際計(jì)算時(shí)的取值是 45

4、0 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)10.47 。其實(shí)，計(jì)算的方法有多種，關(guān)鍵是要按照傳感器的 mV/ 為依據(jù)而不是以被測(cè)溫度值為依據(jù)，我們看看加上非線性校正系數(shù)：10.47*1.1117=11.639499 ，這樣，熱心朋友的計(jì)算結(jié)果就吻合了。運(yùn)算放大器分為兩級(jí)，后級(jí)固定放大 5 倍（原理圖中 12K/3K+1=5），前級(jí)放大為：10.465922/5=2.0931844 倍,為了防止調(diào)整時(shí)的元器件及其他偏差，使用了一只精密微調(diào)電位器對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)，可以保證比較準(zhǔn)確地調(diào)整到所需要的放大倍數(shù)(原理圖中 10K/(8K2+Rw)+1)。通常，在溫度測(cè)

5、量電路里，都會(huì)有一個(gè)“調(diào)零”和另一個(gè)“調(diào)滿度”電位器，以方便調(diào)整傳感器在“零度”及“滿度”時(shí)的正確顯示問題。本電路沒有采用兩只電位器是因?yàn)橹灰傲愣取闭{(diào)整準(zhǔn)確了，就可以保證整個(gè)工作范圍的正確顯示，當(dāng)然也包括滿度時(shí)的最大顯示問題了。那么，電路中對(duì)“零度”是如何處理的呢？它是由單片機(jī)程序中把這個(gè)“零度”數(shù)字直接減掉就是了，在整個(gè)工作范圍內(nèi)，程序都會(huì)自動(dòng)減掉“零度”值之后再作為有效數(shù)值來(lái)使用。當(dāng)供電電壓發(fā)生偏差后，是否會(huì)引起傳感器輸入的變化進(jìn)而影響準(zhǔn)確度呢？供電變化后，必然引起流過傳感器的電流發(fā)生變化，也就會(huì)使傳感器輸出電壓發(fā)生變化。可是，以此同時(shí)，單片機(jī)的供電也是在同步地接受到這種供電變化的，當(dāng)單

6、片機(jī)的 A/D 基準(zhǔn)使用供電電壓時(shí)，就意味著測(cè)量基準(zhǔn)也在同步同方向發(fā)生變化，因此，只要參數(shù)選擇得當(dāng)，系統(tǒng)供電的變化在 20% 之內(nèi)時(shí)，就不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。(通常單片機(jī)系統(tǒng)并不允許供電有過大的變化，這不僅僅是在溫度測(cè)量電路中的要求。）后級(jí)單片機(jī)電路的原理圖如下：從傳感器前置放大電路輸出的信號(hào)，就送入到 HT46R23 的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入端口（PB0/AN0），由單片機(jī)去進(jìn)行各種必需的處理。首先是進(jìn)行軟件非線性校正，把輸入信號(hào)按照不同的溫度值劃分為不同段，再根據(jù)其所在的段分別乘以不同的補(bǔ)償系數(shù)，令其與理論值盡量接近，經(jīng)過非線性校正的數(shù)字，才被送去進(jìn)行顯示，比較用戶設(shè)定的控制值等等。各段的非線

7、性補(bǔ)償系數(shù)見下列表格（僅僅列出主要段的數(shù)據(jù)，非全部表格內(nèi)容）： 傳感電壓mV/內(nèi)部AD讀數(shù)校正系數(shù)124.3781供電電阻=3K921%,供電電壓=5.000V1%124.84500.46701.001.0000147.79420.468350.140.9972170.64140.462699.061.0095192.93260.4570146.801.0218214.68020.4515193.361.0343235.89610.4461238.791.0469256.59180.4407283.111.0597276.78980.4355326.361.0724296.47790.4302

8、368.521.0854315.68910.4251409.651.0985334.42200.4201449.761.1117本電路還有一個(gè)特點(diǎn)，就是用戶可以在工作范圍內(nèi)，任意設(shè)定 3 個(gè)超限控制值。當(dāng)測(cè)量顯示值大于設(shè)定值的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的控制端口就會(huì)輸出高電平。利用這個(gè)高電平信號(hào)，再外接一級(jí)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的電路，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在某一個(gè)控制端口輸出高電平的同時(shí)，與之串聯(lián)的 LED 發(fā)光管會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮，以便提示使用者是哪一個(gè)設(shè)定值在輸出控制信號(hào)。電路中的 24C02 是電存儲(chǔ)器，可以把使用者設(shè)定的控制值可靠地保存起來(lái)，即使掉電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。電路圖中還有 3 只按鍵，它們分別是“設(shè)定”、“加

9、置數(shù)”和“減置數(shù)”操作按鍵，用于使用者進(jìn)行超限值的設(shè)置。使用方法如下：按動(dòng)一下設(shè)定鍵，屏幕顯示“1-”，表示現(xiàn)在進(jìn)入第一個(gè)超限值的設(shè)置，三秒后屏幕自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到顯示“*”并閃爍(* 代表原來(lái)電存儲(chǔ)器里儲(chǔ)存的超限數(shù)值)，然后，按壓加數(shù)鍵(或減數(shù)鍵)，屏幕上的最低位的數(shù)字就會(huì)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(shù)字就會(huì)快速進(jìn)行加數(shù)(或減數(shù))。把屏幕上的數(shù)字調(diào)整到所需要的數(shù)字后，這個(gè)超限值就設(shè)置完成了。接著，再按動(dòng)一下設(shè)定鍵屏幕顯示“2-”，表示現(xiàn)在進(jìn)入第二個(gè)超限值的設(shè)置，三秒后屏幕自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到顯示“*”并閃爍.,接下來(lái)的操作與第一個(gè)超限值的操作完全一樣。第三個(gè)超限值的設(shè)置與上面兩個(gè)

10、完全一樣。當(dāng)設(shè)置好 3 個(gè)超限值之后，還必須最后按動(dòng)一下設(shè)定鍵，退出設(shè)定狀態(tài)而返回正常工作狀態(tài)。如果忘記了這最后一次按動(dòng)退出的操作，程序就會(huì)等待 10 秒之后，自動(dòng)返回正常工作狀態(tài)。簡(jiǎn)易調(diào)試方法:可以使用 100 的電阻來(lái)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(duì),可以調(diào)整微調(diào)電位器來(lái)達(dá)到;然后用一只 281 的電阻來(lái)模擬 PT100 在 500 時(shí)傳感器的電阻值,顯示應(yīng)該在 500 字1字；最后，使用一只 194 的電阻來(lái)代替 250 傳感器電阻輸入,應(yīng)該顯示 2501 字.如果經(jīng)過上面調(diào)試沒有問題,就可以接入真正的 PT100 傳感器投入使用了.（

11、真正的傳感器也有誤差，可以微調(diào)一下前置放大的電位器來(lái)校正它。）在實(shí)際工作中，要求電路的供電電壓為 5V5%.如果測(cè)量顯示值大于某一個(gè)超限值，對(duì)應(yīng)的控制端口就會(huì)立即輸出高電平。如果傳感器發(fā)生開路故障,顯示就會(huì)出現(xiàn)HHH,如果傳感器及其引線發(fā)生了短路,顯示就會(huì)立即出現(xiàn)LLL.為了防止傳感器出現(xiàn)開路或者短路之后可能會(huì)引起的不良后果，這時(shí)候，3 個(gè)控制輸出端口都會(huì)優(yōu)先關(guān)閉。二 HT46R23單片機(jī)制作的099.9的調(diào)功溫控表頭單片機(jī)HT46R23 簡(jiǎn)介:這是我國(guó)臺(tái)灣省盛群公司產(chǎn)的一款 8 位高性能精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，專門為需要 A/D 轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)。例如：傳感器信號(hào)輸入。低功耗，I/O 使用靈活，可

12、編程分頻器、計(jì)數(shù)器，振蕩類型選擇，多通道A/D 轉(zhuǎn)換，脈沖測(cè)量功能 I2C 通信，暫停和喚醒功能。使這款單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于傳感器的 A/D 轉(zhuǎn)換、馬達(dá)控制、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品等系統(tǒng)中. 主要特性:工作電壓：fSYS=4MHz 2.2V5.5V，fSYS=8MHz 3.3V5.5V。最多可有 23 個(gè)雙向輸入/輸出口。1 個(gè)與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入。16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器具有溢出中斷和7級(jí)預(yù)分頻器。內(nèi)置晶體和RC 振蕩電路?？撮T狗定時(shí)器。4096 15 程序存儲(chǔ)器ROM。192 8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。具有PFD 功能可用于發(fā)聲。HALT 和喚醒功能可降低功耗。在VDD=5V

13、系統(tǒng)頻率為8MHz 時(shí)指令周期為0.5s。8 層硬件堆棧。8 通道10 位解析度(9 位精度)的A/D 轉(zhuǎn)換器。2 通道(6+2) / (7+1) 位的PWM 輸出與輸入/輸出口共用引腳。位操作指令。查表指令表格內(nèi)容字長(zhǎng)15 位。63 條指令。指令執(zhí)行時(shí)間為 1 或 2 個(gè)指令周期。低電壓復(fù)位功能。I2C 總線slave 模式。24/28-pinSKDIP/SOP 封裝。使用 HT46R23 制作 PN 結(jié) 0 99.9 的調(diào)功輸出溫控表頭:本文介紹的單片機(jī)制作項(xiàng)目所使用的溫度傳感器為溫敏二極管,這是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的半導(dǎo)體溫度傳感器,可以工作在 -50 至 150 的范圍.本電路選擇

14、其工作在 0 99.9 范圍.（10 位 A/D 的范圍）。整個(gè)電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換和顯示,控制,軟件非線性校正等部分.原理圖如下:工作原理:傳感器的接入屬于“恒流饋電”方式，為保證傳感器的“恒流饋電”能夠穩(wěn)定可靠，從系統(tǒng)專門利用 TL431 組成的 2.5V 供電，通過一支 1K 電阻連接到 PN 結(jié)的“+”端， PN 結(jié)的“-”端就接在運(yùn)放的輸出端上。根據(jù)運(yùn)算放大器的工作原理，只要其同相端的電壓穩(wěn)定不變，那么，其反相端就會(huì)始終自動(dòng)跟隨同相端的電壓，我們可以微調(diào)同相端的電壓，使得其在 PN 結(jié)處于“0” 時(shí)，同相端電壓與 PN 結(jié)的壓降相等，這樣，

15、運(yùn)算放大器就會(huì)輸出 0.00V！這種接法會(huì)很好地改善傳感器因?yàn)槠鋲航底兓鸬碾娏髯兓沟脗鞲衅髟谡麄€(gè)工作范圍內(nèi)始終保持流過它的電流不變，從而具有較好好的線性度。當(dāng)測(cè)量溫度在 0 以下時(shí)，由于單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入不能接受負(fù)的信號(hào)，因此，本電路是在測(cè)量溫度為 2.4 時(shí)，恒流饋電運(yùn)放的輸出等于 0.00V ，而當(dāng)測(cè)量溫度為 0 時(shí)，恒流饋電運(yùn)放的輸出為 4.8mV。（PN 結(jié)傳感器的溫度系數(shù)為2.0mV/ 左右，經(jīng)過運(yùn)放的反相輸出而成為 2mV/）。第二級(jí)運(yùn)放的作用僅僅是把傳感器經(jīng)過恒流饋電運(yùn)放來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大，所需要的放大倍數(shù)為：KV=（5000/1024)/(2/10).經(jīng)過計(jì)算，

16、KV=24.414 倍。(式中：5000 為單片機(jī)供電即 A/D 基準(zhǔn)電壓，1024 為 10 位 AD 值，2/10 是把傳感器的溫度分辨力升到 0.1 ，電壓?jiǎn)挝蝗繛?mV )。電路圖的第二級(jí)運(yùn)放中，各電阻配置計(jì)算就是從這個(gè) KV 值出發(fā)的。當(dāng)然，構(gòu)成 24.414 倍放大的配置方案是可以有很多種組合的，本電路基本上采用的是中低阻值的方案，這樣有利于提高電路工作的穩(wěn)定性。通常，在溫度測(cè)量電路里，都會(huì)有一個(gè)“調(diào)零”和另一個(gè)“調(diào)滿度”電位器，以方便調(diào)整傳感器在“零度”及“滿度”時(shí)的正確顯示問題。本電路采用恒流饋電運(yùn)放所屬的微調(diào)電位器來(lái)調(diào)整“0”，而采用第二級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)調(diào)整微調(diào)電位器來(lái)調(diào)整

17、滿度，這樣，就可以保證整個(gè)工作范圍的正確顯示，當(dāng)然也包括滿度時(shí)的最大顯示問題了。電路中的 24C02 是電存儲(chǔ)器，可以把使用者設(shè)定的控制值可靠地保存起來(lái)，即使掉電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。本表頭使用 3 位 0.5 或者 3 位 0.56 高亮數(shù)碼管進(jìn)行顯示.要求供電穩(wěn)定：當(dāng)供電電壓發(fā)生偏差后，是否會(huì)引起傳感器輸入的變化進(jìn)而影響準(zhǔn)確度呢？供電變化后，雖然不會(huì)引起流過傳感器的電流發(fā)生變化，可是，以此同時(shí)，單片機(jī)的供電也是在同步地接受到這種供電變化的，當(dāng)單片機(jī)的 A/D 基準(zhǔn)使用供電電壓時(shí)，就意味著測(cè)量基準(zhǔn)也在同步同方向發(fā)生變化，它會(huì)嚴(yán)重影響正確測(cè)量與讀數(shù)，例如：當(dāng)供電5.000V 時(shí)，25測(cè)量顯示的值為：

18、(24.4140625*50)/(5000/1024)=250，把小數(shù)點(diǎn)定在十位則25.0。當(dāng)供電4.800V 時(shí)，25測(cè)量顯示的值為：(24.4140625*50)/(4800/1024)=260.42，把小數(shù)點(diǎn)定在十位則26.4。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)供電下降了 0.2V，測(cè)量顯示就高到了 26.4/25=1.056 倍，因此，必須保證單片機(jī)的工作電壓相當(dāng)穩(wěn)定，而供電不穩(wěn)定又往往容易被使用者所忽略。(通常單片機(jī)系統(tǒng)并不允許供電有過大的變化，這不僅僅是在溫度測(cè)量電路中的要求。）從傳感器前置放大電路輸出的信號(hào)，就送入到 HT46R23 的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入端口（PB0/AN0），由單片機(jī)去進(jìn)行各種必

19、需的處理。首先是把測(cè)量溫度值轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制數(shù)字送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示，然后是處理用戶的兩個(gè)設(shè)定超限值，以及調(diào)功輸出部分。用戶可以在工作范圍內(nèi)，任意設(shè)定 2 個(gè)超限控制值。當(dāng)測(cè)量顯示值大于設(shè)定值的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的控制端口就會(huì)輸出高電平。利用這個(gè)高電平信號(hào)，再外接一級(jí)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的電路，就可以實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警、超限保護(hù)或者自動(dòng)控制。而在調(diào)功控制輸出端口則輸出仿照 PID 控制的調(diào)節(jié)控制輸出。在某一個(gè)控制端口輸出高電平的同時(shí)，與之串聯(lián)的 LED 發(fā)光管會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮，以便提示使用者是哪一個(gè)控制輸出端口在輸出控制信號(hào)。采用調(diào)功方式控制溫度：調(diào)功控制輸出是本溫控表頭的主要輸出方式，它所控制的溫度精度比普通繼電器的位

20、式控制有了非常大的提高。它可以在溫控過程中，根據(jù)被控對(duì)象反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，溫度偏高了，就減少輸出時(shí)間，溫度下降了，就增加輸出時(shí)間。而且，它可以根據(jù)最近的幾組數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，自動(dòng)提前進(jìn)行輸出調(diào)整，因此，它沒有普通位式溫控的嚴(yán)重“溫度過沖”現(xiàn)象，也不會(huì)有被控溫度大起大落的弊病。當(dāng)初始送電時(shí)，電路會(huì)以全功率進(jìn)行快速升溫，在升溫的過程中，程序會(huì)自動(dòng)捕捉有關(guān)升溫速率，升溫時(shí)間，以及用戶需要控制的溫度值，然后，按照有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整輸出功率（通過調(diào)整輸出時(shí)間與無(wú)輸出的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)），通常，恒溫精度可以達(dá)到 0.20.3 之內(nèi)。采用調(diào)功方式的溫控電路，其輸出控制執(zhí)行元件可以是繼電器，也可以是半導(dǎo)體可控硅

21、。由于繼電器的動(dòng)作頻率和觸點(diǎn)壽命等影響，往往沒有采用可控硅那種快速動(dòng)作，無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)火花等良好效果，因此，推薦盡量使用可控硅作為執(zhí)行元件。（可控硅容易受到雷電過電壓和電網(wǎng)高反峰電壓而損壞，因此，選擇可控硅時(shí)，要充分注意其耐壓參數(shù)及增加輔助過壓保護(hù)元件）。參考電路如下：超限設(shè)置方法：電路圖中還有 3 只按鍵，它們分別是“設(shè)定”、“加置數(shù)”和“減置數(shù)”操作按鍵，用于使用者進(jìn)行超限值的設(shè)置。使用方法如下：按動(dòng)一下設(shè)定鍵，屏幕顯示“1-”，表示現(xiàn)在進(jìn)入第一個(gè)超限值的設(shè)置，三秒后屏幕自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到顯示“*”并閃爍(* 代表原來(lái)電存儲(chǔ)器里儲(chǔ)存的超限數(shù)值)，然后，按壓加數(shù)鍵(或減數(shù)鍵)，屏幕上的最低位的數(shù)字就會(huì)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(shù)字就會(huì)快速進(jìn)行加數(shù)(或減數(shù))。把屏幕上的數(shù)字調(diào)整到所需要的數(shù)字后，這個(gè)超限值就設(shè)置完成了。接著，再按動(dòng)