Pt100鉑電阻測溫電路(穩(wěn)定版)

1、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通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3 可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點。 放大電路采用LM358 集成運算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖 5.1 所示，前一級約為10 倍，后一級約為3倍。溫度在0100 度變化，當(dāng)溫度上升時，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓Av 對應(yīng)升高。 注意：雖然電橋部分已

2、經(jīng)經(jīng)過TL431 穩(wěn)壓，但是整個模塊的電壓VCC 一定要穩(wěn)定，否則隨著VCC 的波動，運放LM358 的工作電壓波動，輸出電壓Av 隨之波動，最后導(dǎo)致A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動，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=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735?？梢奝t100 在常溫0100攝氏度之間變化時線性度非常好，其阻值表達式可近似簡化為：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，都會對放大器LM3

3、58 采集來的模擬信號AV進行溫度采樣，即進行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)中會出現(xiàn)采樣信號與實際信號存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號的高低波動，為了減小這方面原因造成的測量誤差，在實際采樣時采樣18 個點，然后再除去其中偏差較大的兩個點，即一個最大值和一個最小值，再對剩余的16 個點取均值，這樣得到的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實際值。 在對數(shù)值進行濾波操作之后，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

4、；公式法比較簡單，只需要確定比例系數(shù)K 和基準偏差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，一般還會對被控對象根據(jù)實際溫度和目標溫度進行實時的控制，要又要設(shè)計到控制算法，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

5、且對于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(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不斷產(chǎn)生，要想達到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值(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，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)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值(SP 值)，以達到控制目的 ，如圖所示，其實PID 的實質(zhì)就是

6、對偏差（e 值）進行比例、積分、微分運算，根據(jù)運算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過程。 溫度控制PID 算法設(shè)計 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)定值進行相減得偏差，然后再對之進行PID 運算產(chǎn)生輸出結(jié)果fOut，然后讓fOut 控制定時器的時間進而控制加熱器。為了方便PID 運算，首先建立一個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 Desired Valuefloat Proportion; / 比

7、例系數(shù) Proportional Constfloat Integral; / 積分系數(shù) Integral Constfloat Derivative; / 微分系數(shù) Derivative Constint LastError; / 上次偏差int SumError; / 歷史誤差累計值 PID;PID stPID; / 定義一個stPID 變量PID 運算的C 實現(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-&

8、gt;SumError += 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；(pp->Integral * pp->S

9、umError)是積分項；(pp->Derivative * dError)是微分。基于Ptl00鉑熱電阻的溫度變送器設(shè)計與實現(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)研究中是一個非常重要的參數(shù)。在工業(yè)控制過程中需要對控制對象進行溫度監(jiān)測，防止控制對象由于溫度過高而損壞，因此溫度的實時監(jiān)測就顯得更加重要。對溫度的實時監(jiān)測有利于對控制對象的及時檢查、保護，并及時調(diào)整溫度的高低。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求的不同，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計也有所變化，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，該系統(tǒng)采用PtlOO鉑熱

10、電阻作為溫度感測元件，進行溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)。在設(shè)計中，將電壓信號轉(zhuǎn)換為標準的420 mA電流信號，既省去昂貴的補償導(dǎo)線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。l Ptl00鉑熱電阻概述    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 ，是一種標準化器件。工作溫度范圍：-200+850 ，考慮到工業(yè)的實際應(yīng)用，本系統(tǒng)設(shè)計

11、的測量范圍為0120。因為熱敏電阻的阻值和溫度呈正比關(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，電阻值與溫度

12、的函數(shù)關(guān)系可以簡化為：        實際應(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，由于引線電阻與Ptl00串聯(lián)，增大了電阻，會影響測量；三線制連接時，對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)€電阻進行補償；四線制連接時，可以實現(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PtlOO溫度傳感器進行了硬件設(shè)計。其整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。    圖1中，

13、利用鉑熱電阻特性來檢測溫度，將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號；再通過Vl轉(zhuǎn)換單元，將電壓信號轉(zhuǎn)為420 mA的標準電流信號輸出，這樣既省去昂貴的補償導(dǎo)線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力；在單片機系統(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。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號進行識別處理，并換算成與溫度對應(yīng)的數(shù)字信號，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。CPU主要完成對AD采集到的數(shù)據(jù)進行處理，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    硬件組成主要由穩(wěn)定電源電路、運算放大電路、電壓

14、電流轉(zhuǎn)換電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路四個部分組成。31 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(輕微負載時，壓差為50 mV；100 mA負載時，壓差為380 mV)。LP2951具有很小的初始容限(一般05)，非常良好的負載及線路調(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

15、)及引腳7(反饋)到引腳6(5 V端)，獲得輸出、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通過兩級運放放大后，再經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為420 mA的標準電流信號輸出，因為AD只能采集電壓信號，所以在信號進行AD采集前，再通過芯片RCV420將420 mA轉(zhuǎn)換為O5 V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻RP1

16、，通過調(diào)節(jié)RP1，可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點。放大電路采用LM258集成運算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，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，Ptl00阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓對應(yīng)地升高，輸出電流也相應(yīng)變大。實際選用的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，除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10 V基準電壓源。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，對于環(huán)路電流具有很好的變換能力。4 實驗測試與結(jié)論    由于萬用表、溫度測試儀等測量工具存在誤差，很明顯，從上面的實驗數(shù)據(jù)分析，實驗斜率K1近似等于理論斜率，即在工業(yè)誤差(-