PT100溫度采集zrj

1、1、 溫度顯示儀表系統(tǒng)概述1） 課題要求： PT100做一個溫度顯示儀表，溫度范圍-20度到600度 ，精度0.1度2）系統(tǒng)初步設(shè)計分析溫度影響PT100的電阻，也就意味著，只要測出PT100的電阻，就能測出溫度，而電阻可以由設(shè)計的電路測電壓或者電流計算出來，然后再將電壓或者電流的模擬信號被系統(tǒng)采樣量化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再由系統(tǒng)進(jìn)行換算，其中因為PT100的工作電流不能太大1mA左右，相應(yīng)電壓信號會比較微弱，所以需要放大信號，以便于后面AD采樣。數(shù)據(jù)顯示還原為溫度數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集溫度變化電阻變化電壓變化信號放大AD采集數(shù)字濾波顯示溫度而這個課程設(shè)計是溫度顯示儀表系統(tǒng)，所以系統(tǒng)主要分成三個部分，1

2、) 是數(shù)據(jù)采集，也就是PT00的電路選擇，信號的放大和AD轉(zhuǎn)換。PT100的采樣有兩種，電阻接法有三中；為了防止非線性誤差，有經(jīng)過兩級放大的，AD采樣需要考慮采樣倍數(shù)2) 是數(shù)據(jù)處理，將采集到的數(shù)據(jù)還原成溫度，主要涉及兩方面，一是濾波處理，二是轉(zhuǎn)換為溫度3) 數(shù)據(jù)輸出也就是顯示部分，在顯示管上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)其中，數(shù)據(jù)采集部分應(yīng)當(dāng)是重點，因為它影響了整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，要克服電路本身被外界環(huán)境的影響，而數(shù)據(jù)處理應(yīng)當(dāng)注意數(shù)據(jù)的換算，顯示部分相對比較簡單。 3)關(guān)于PT100系統(tǒng)的一些簡單數(shù)值估計PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度

3、非常好，如上圖所示，看起來非常接近于直線。因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T) 其中=0.00392, Ro為100(在0的電阻值),T為華氏溫度。但是對于此次課程設(shè)計，這個精度顯然不夠。又找到了以下關(guān)系表達(dá)式子。其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0650范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C 為常數(shù)，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；所以這次課程設(shè)計的最高電阻值約為RH=R0

4、(1+At+Bt2) =100（1+3.96847×10-3*600+-5.847×10-7*600*600） 314.059最低電阻值約為 RL=R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) =100（1+3.96847×10-3*-20+-5.847×10-7*-20*-20+-4.22×10-12） 92.16約跨度RH -RL=222其中跨溫度620 ，采樣精度0.1也就意味著差不多6200個采樣點,每個采樣點平均分?jǐn)?.0358的電阻。通過查閱PT100的使用說明得知，PT100的工作電流理應(yīng)不超過1mA,所以兩端電壓值的變化量需

5、要被檢測出來的最大分辨率應(yīng)該是1mA*0.0358=0.0358mVPT100兩端的電壓值的取值范圍大概為0.092V0.314V6200個采樣點需要13位二進(jìn)制來表示，所以AD轉(zhuǎn)換器需要分辨率13位以上，一般取16位AD轉(zhuǎn)換芯片就好了。比如ADS7825，滿量程10V，那么LSB差不多應(yīng)該是10/26= 0.15625V=0.1525mA 所以放大電路的放大倍數(shù)起碼是5倍以上。至于采樣速度，應(yīng)該更多地取決于AD轉(zhuǎn)換器，查資料可知，ADS7825采樣及轉(zhuǎn)換時間:25 s ，ADS7825自帶了時鐘，也可以外置時鐘，應(yīng)該如果外接時鐘的話，可以改變采樣速度。但是如果考慮到濾波需要多采樣幾次的話，那

6、么采樣速度要變成原來的1/N倍，即速度變慢，N為一次測溫的采樣點數(shù)。二、系統(tǒng)構(gòu)成 1）PT100的電路選擇常用的采樣電路有兩種：一是讓恒流源通過Pt100 熱電阻，通過檢測Pt100 上電壓的變化來換算出溫度。二是采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100 熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。常用的 Pt 電阻接法有三線制和兩線制還有四線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將 PT100 的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。其實也有四線的，四線接法較為復(fù)雜，精度也更高，但是這里并不需要，三線制可以消除導(dǎo)線電阻。所

7、以最終選擇三線制接法橋式測溫電路，即選擇惠斯頓電橋，三線制接法，如下圖所示。至于具體三線制的優(yōu)點見附錄。2） 采樣信號的濾波由于外界干擾或某些不可預(yù)知的因素，比如電路干擾或者外界噪聲，模擬量在受到干擾后，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果偏離了真實值，可能會出現(xiàn)一些隨機(jī)的誤差，如果只采樣一次，無法確定結(jié)果是否可信。濾波電路或由運放和 R、C 組成的有源濾波器。而數(shù)字濾波則是采用軟件算法實現(xiàn)濾波的。為了減少干擾，所以我們在采集了信號之后，肯定要在最后轉(zhuǎn)化為溫度之前，因為數(shù)字濾波的處理比模擬濾波實現(xiàn)起來方便，但是缺點是耗費更多地計算時間。數(shù)字濾波的前提是對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣，一般有以下幾種方法： 1.中值

8、濾波：一般采樣 5、7 次，排序后取中間值。 2.算術(shù)平均濾波：一般采樣 8 次，求平均值。 3.去極值平均濾波：去掉最大最小值后求平均值一般采樣 10、12次。 4.加權(quán)平均濾波：各加權(quán)系數(shù)之和為 1。 5.滑動平均濾波：本次采樣值和前 n次采樣值求平均。 數(shù)據(jù)濾波方法選用要視現(xiàn)場環(huán)境和被測對象而定，在本系統(tǒng)中采用的是去極值均值濾波，因為算術(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾或粗大誤差消除，只能將其影響削弱效果應(yīng)該沒有去極值均值濾波的好。 以去極值平均濾波為例，算法原理如下：對于溫度信號對應(yīng)的電壓采樣值，連續(xù)采樣 n次，將其累加求和，同時找出其中最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按n

9、-2 個采樣值求平均，即有效采樣值。3） PT100的線性化處理如表所示，對于原來的模型，雖然很擬合線性，但是距離0.1的誤差還是有一定距離，想要獲得精確的數(shù)據(jù)，最容易想到的，一個是存儲溫度，電阻對應(yīng)的表，一個是建立精確的數(shù)學(xué)模型。但是6200個采樣點一一對應(yīng)，根本需要很大的存儲空間，所以是一個不現(xiàn)實的問題，單純擬合的數(shù)學(xué)模型也會非常復(fù)雜。所以這里大多數(shù)時候，大家采取折中的方案，即存相隔一定距離存一部分的表格，然后中間的數(shù)據(jù)采取插值或者最小二乘法擬合，這樣一來就能達(dá)到精度要求，公式不會很復(fù)雜，也不需要占用很多存儲表格的空間。PT100的溫度分度表是能夠找到的，見附錄。假設(shè)從-20到600每五個

10、溫度值選一個標(biāo)記點，那么就一共有125個標(biāo)記點，在單片機(jī)的ROM里面存儲著125個點的電阻和溫度對應(yīng)值。采用線性插值算法進(jìn)行標(biāo)度變換時，將檢測值Rx通過順序查表，與標(biāo)定點 Ri比較，確定區(qū)間Ri <Rx<R i+1，然后進(jìn)行線性插值算法求得溫度值Tx。例：現(xiàn)經(jīng)A/D采樣和濾波得Pt100的電阻值為Rx=112.68，求此時實測對象的溫度 Tx。 已知查表得 R46<Rx<R47, R46111.67，R47113.61, T46=30, Tx=T46+5*(Rx-R46)/(R47-R46)=32.06所以此時溫度為32.064） AD采樣電路電壓輸入這個芯片支持串行并

11、行數(shù)據(jù)的輸出，不能輸出在BUSY腳輸出為高電平之前, R/ C必須置為高電平, 否則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)尚未讀完,新的轉(zhuǎn)換就已開始,從而使數(shù)據(jù)丟失。其中2,3,4,5個接口是模擬電路的輸入接口。AIN 0AIN 3 : 4 個模擬通道 , 可接受 -1 0. 010. 0V 的模擬輸入電壓 ;B YTE :并行數(shù)據(jù)輸出選擇位,僅在數(shù)據(jù)作并行輸出時使用。B YTE = 1 時 , 輸出低 8 位 D0D7 ,B YTE = 0時 ,輸出高 8位 D0D7 3、 電路原理圖 PT100以及放大電路顯示電路 本設(shè)計采用6個LED共陽極數(shù)碼通過三極管驅(qū)動來進(jìn)行時間溫度數(shù)據(jù)的顯示。其中數(shù)碼管的段碼位分別接單片機(jī)的

12、P0口，公共端通過三極管接到單片機(jī)P2.0P2.5端對數(shù)碼管進(jìn)行位選。其電路圖如下圖所示。 4、 軟件框圖完整流程圖 主程序負(fù)責(zé)調(diào)用初始化子程序，打開中斷以及等待定時和串口中斷程序的發(fā)生開始打開中斷復(fù)位看門狗接收命令？命令處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊收到數(shù)據(jù)？主程序流程圖定時中斷程序負(fù)責(zé)調(diào)用采樣，串口發(fā)送子程序開始采樣數(shù)據(jù)更新濾波隊列發(fā)送數(shù)據(jù)包溫度顯示程序AD采樣子程序主要用來控制ADS7825子程序開始根據(jù)情況選擇相應(yīng)端口值采樣結(jié)束？更新數(shù)值回主程序濾波子程序流程圖開始顯示模塊更新溫度 回主程序五、總結(jié)這次的課程設(shè)計，查閱了很多的資料，也看了一些論文之類的，靜下心來稍微能理出一點頭緒，但是總歸是建立

13、在理論的基礎(chǔ)上，很多東西不涉及到硬件配置就僅僅是猜測，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，也就是這個道理吧。數(shù)據(jù)采集與分析，以前更重視模擬電路的開發(fā)，現(xiàn)在很多模擬電路的東西被替代，特別是濾波一塊的內(nèi)容，很多時候數(shù)字濾波也能達(dá)到很好地效果。另外，對于精度要求比較高的東西，實踐和理論也是有一點差別的，因為如果只是這門課本來就是實踐性很強(qiáng)的課，所以很多理論聽聽也是聽聽，真的在做東西的時候，可能感觸會更加深刻一點吧。附錄1：簡單的電阻到電壓的轉(zhuǎn)換圖1的電路是一種簡單的電阻到電壓的轉(zhuǎn)換形式，電壓源激勵（VCC=5V），R1是串聯(lián)分壓電阻，R2和R3分別PT100的引線電阻，RD是PT100。我們先不考慮

14、引線電阻R2和R3，在0時Rd=100，VF=2.5V；在300時，Rd=212，則VF=3.397V，整個電壓測量范圍為2.5V3.397V，而AD的量程為0-5V，待測信號的電平測量范圍僅為AD量程的1/5，無法充分利用AD。如果考慮引線電阻R2和R3，則VF不再是PT100電阻R1的分壓值了，還應(yīng)該包括引線電阻，引線電阻給系統(tǒng)設(shè)計帶來了誤差。由此可見，充分利用用AD的量程，消除引線誤差是PT100測溫電路設(shè)計的要點。 圖12、兩線制PT100電壓源激勵橋式電路圖2是兩線制PT100橋式測溫電路，如果測溫距離較短，可以不考慮引線電阻的影響，則在0時，VF1=VF2=0.238V，VF= 0

15、V，在300時，VF2不變，VF1=0.479V，VF= 0.241V。在傳感器的后端電路中，只需要通過減法電路，得到VF1和VF2的差值，再做適當(dāng)?shù)姆糯?，就可以滿足AD的大部分量程，且電壓采樣值可以從零起調(diào)。如果是長距離測溫，不能忽略引線電阻的影響，則兩線制電壓源激勵橋式電路仍然不能滿足系統(tǒng)的需要。 圖33、三線制PT100恒流源激勵橋式電路圖4是三線制電流源激勵橋式電路。三線制PT100中，電阻一端是一根連線，另外一端接2根連線，三根線的電阻值相等。在橋式電路中引入了恒流源激勵。 圖4中，VF1=（Rt1+Rt2+Rt）*IS1，VF2=(Rt2+Rt3+Rd)*IS2，IS1=IS2=1

16、mA，Rt1=Rt2=Rt3，所以，VF=（Rt-Rd）*IS1，其中Rd和IS是固定的值，可見差分電壓只與PT100的電阻值有關(guān)，三線制電流源激勵的方式，可以完全消除引線電阻帶來的影響。在本設(shè)計中要求遠(yuǎn)距離測溫，在傳感器的前端電路設(shè)計中，采用三線制PT100恒流源激勵橋式電路。附錄2：溫度特性表-20-10092.1696.09100.0091.7795.6999.6191.3795.3099.2290.9894.9198.8390.5994.5298.4490.1994.1298.0489.8093.7397.6589.4093.3497.2689.0192.9596.8788.6292.

17、5596.48010203040100.00103.90107.79111.67115.54100.39104.29108.18112.06115.93100.78104.68108.57112.45116.31101.17105.07108.96112.83116.70101.56105.46109.35113.22117.08101.95105.85109.73113.61117.47102.34106.24110.12114.00117.86102.73106.63110.51114.38118.24103.12107.02110.90114.77118.63103.51107.4011

18、1.29115.15119.015060708090119.40123.24127.08130.90134.71119.78123.63127.46131.28135.09120.17124.01127.84131.66135.47120.55124.39128.22132.04135.85120.94124.78128.61132.42136.23121.32125.16128.99132.80136.61121.71125.54129.37133.18136.99122.09125.93129.75133.57137.37122.47126.31130.13133.95137.75122.86126.69130.52134.33138.13100110120130140138.51142.29146.07149.83153.58138.88142.67146.44150.21153.96139.261