基于PT100的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、    基于pt100的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    宋歌 李穩(wěn)國 劉博文 魏永祥 韓淵媛 王瑤摘 要：pt100鉑熱電阻是工業(yè)生產(chǎn)中常用的測(cè)溫元件，本文設(shè)計(jì)了一種以pt100為核心，msp430f149為主控芯片，采用dc-dc溫控電路和橋式測(cè)溫電路的智能溫度控制系統(tǒng)。dc-dc溫控電路控制對(duì)空心陶瓷電阻進(jìn)行加熱；橋式測(cè)溫電路將溫度信號(hào)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)差分放大后反饋給單片機(jī)，進(jìn)行pid調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，0至80溫度可調(diào)，溫度測(cè)量精度在±0.2以內(nèi)，最長恒溫時(shí)間為3分鐘。關(guān)鍵詞：pt100；msp430；惠斯通電橋；dc-

2、dc0 引言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)1。在工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用或科學(xué)研究中，不可避免的要對(duì)一些控制對(duì)象進(jìn)行溫度監(jiān)控和控制，對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)溫度控制的前提，也有利于對(duì)控制對(duì)象的及時(shí)檢查和保護(hù)。文獻(xiàn)2提出了一種高精度測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用最小二乘法和pt100線型擬合。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫精度高，但沒有對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行溫度控制，亦無法保護(hù)控制對(duì)象。文獻(xiàn)3提出了一種溫度測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)溫度控制簡(jiǎn)單、方便，并能有效保持溫度，但溫度調(diào)節(jié)速度慢，測(cè)溫精度也仍需提高。綜上所述，本文采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高精度測(cè)溫的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由dc-dc溫度

3、控制電路和橋式測(cè)溫電路組成，以pt00為核心進(jìn)行高精度溫度測(cè)量，以msp430f149單片機(jī)為主控模塊進(jìn)行溫度的控制，實(shí)現(xiàn)高精度溫度調(diào)節(jié)。1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用pt100鉑熱電阻做溫度傳感器，利用dc-dc溫度控制模塊對(duì)大功率電阻加熱完成溫度的測(cè)量與控制。溫度采集電路以pt100為核心，通過惠斯通電橋完成溫度信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)運(yùn)放兩級(jí)放大，反饋給單片機(jī)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行pid調(diào)節(jié)，利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生pwm，控制dc-dc模塊中的開關(guān)管對(duì)空心瓷管加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的控制?？梢酝ㄟ^鍵盤控制模塊設(shè)定目標(biāo)溫度值，當(dāng)溫度值超過規(guī)定值時(shí)，系統(tǒng)通過蜂鳴器

4、報(bào)警。為了實(shí)時(shí)顯示溫度值，采用msp430f149單片機(jī)為監(jiān)控和運(yùn)算核心，并由液晶屏顯示。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。2 主電路設(shè)計(jì)思路2.1 dc-dc溫度控制電路的設(shè)計(jì)dc-dc溫度控制電路采用降壓變換電路，即buck電路。dc-dc電路中的開關(guān)管，由單片機(jī)產(chǎn)生一路pwm經(jīng)推挽放大后控制其導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)直流電壓源到直流電流源的轉(zhuǎn)換，輸出電流直接對(duì)空心陶瓷電阻進(jìn)行加熱。pwm驅(qū)動(dòng)電路采用圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，適合dc-dc電路對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。開關(guān)管選用irf540，其最大擊穿電壓vds=100v，最大漏極電流為id=23a，導(dǎo)通阻值rds=77m，滿足設(shè)計(jì)要求。2.2 橋式測(cè)溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)pt

5、100采用三線制接法，圖2中r1、r2、r3和r4分別為電橋的橋臂，當(dāng)r1×r3=r2×r4時(shí)，電橋平衡。電橋不平衡時(shí)a，b兩點(diǎn)存在電壓差，由電壓差值可以計(jì)算出pt100的阻值。為避免pt100自身發(fā)熱對(duì)測(cè)量的影響，通過pt100的電流不能超過2ma，因此a，b兩點(diǎn)電壓差很小，需經(jīng)過lm358構(gòu)成的兩級(jí)差分放大器后，由單片機(jī)12位adc采集電壓信號(hào)。鉑熱電阻的導(dǎo)線往往很長，由于pt100與導(dǎo)線電阻串聯(lián)，增大了電阻值，會(huì)使測(cè)量誤差非常大4。pt100三線制接法能有效消除導(dǎo)線誤差。圖2虛線部分，pt100導(dǎo)線電阻為r，橋臂電阻變?yōu)閞1，r2，r3+2r，rt+2r，電橋平衡時(shí)：

6、r2×（rt+2r）=r1×（r3+2r），整理得：rt=r1r3/r2+2r1r/r2-2r，當(dāng)r1=r2時(shí)，pt100導(dǎo)線的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響2。所以，橋臂電阻采用高精密數(shù)字電阻。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行溫度采樣得到采樣溫度值adc_t并顯示在液晶屏上，再判斷是否有按鍵輸入，若是，則更新溫度預(yù)設(shè)值set_t并顯示；若無，則將溫度預(yù)設(shè)值set_t與采樣溫度值adc_t相減，并判斷相減值是否大于5，若是，則全功率加熱；若否，則判斷相減值是否等于0，若等，則停止加熱；若不等，則進(jìn)行pid調(diào)節(jié)。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析為驗(yàn)證提出的溫度控制系統(tǒng)的正確

7、性，在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)樣機(jī)，負(fù)載為20/50w滑動(dòng)變阻器，測(cè)試結(jié)果如下：系統(tǒng)溫度采樣精度測(cè)試，設(shè)定溫度值與采樣溫度值相減得到誤差值，系統(tǒng)溫度測(cè)量相對(duì)偏差絕對(duì)值在±0.2內(nèi)。系統(tǒng)恒溫測(cè)試，在預(yù)設(shè)溫度值與采樣溫度值誤差在±0.2，開始計(jì)時(shí)，溫度系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時(shí)間最長為3分鐘。5 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的基于pt100的溫度控制系統(tǒng)，采用三線制鉑熱電阻電橋測(cè)溫電路，很好的解決了pt100導(dǎo)線電阻帶來的誤差和pt100自身發(fā)熱產(chǎn)生誤差的問題；采用dc-dc電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的穩(wěn)定控制。該系統(tǒng)0至80溫度可調(diào)，溫度測(cè)量精度在±0.2以內(nèi)，控制恒溫最長時(shí)間為3分鐘。參考文獻(xiàn)1 余兆明，李曉飛，陳春來.mpeg標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用m.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002.2 嚴(yán)長城，應(yīng)貴平.基于pt100的鉑熱電阻的高精度測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.機(jī)電工程技術(shù)， 2015， 44（3）：71-74.3 劉健，龐興龍.基于at89s51的糧倉溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.制造業(yè)自動(dòng)化，2012， 34（5）： 143-146.4 劉剛，陳樹新.基于stm32的鉑熱電阻橋式測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.自動(dòng)化與儀表， 2014， （1）： 53-56.海峽科技與產(chǎn)