Pt100鉑電阻測溫電路-重要

1、常用電路圖R2、R3、R4和PtlOO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，當溫度上升時，PtlOO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對應升高。注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過TL431穩(wěn)壓，但是整

2、個模塊的電壓VCC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，最后導致A/D轉(zhuǎn)換的結果波動，測量結果上下跳變。鉑熱電阻阻值與溫度關系為：(1) 時.RPt100=100*UAHEn-+C*t3*(t-100)J(2) or<!<85OC時，ELPtl00=100*(1+At+B*t2)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),當溫度變化1攝氏度，Pt100阻值近似變化0.

3、39歐。Pt100的分度表(0°C100°C)V0123456789010010039100.78101I?101.5610195102.34102731031210351101035104.291O4.(5B10?4610535106.241066310702107.420107.791081810S.75108.96109.35109.73110.1211051110.9111.2S3011167112.0611245112E3113.22113.61114991143S114.77115A54011554115.W116.31U6J11?,OSH7.47fi7,S51

4、1824HE62H?.O150119.4119.7S1205?12093121.32in.?12209122.47122S660123.24123.62124.3912-.77125.16M5.5412592126.31126.6970127.0712745127.84128.22128612S.98129.371297?13013130.51S01308913127131廣132.04132421325133%133.94B452901347135OS135.46135.84136.221366136.9S13736137.74136.12100138513S8S13926139.64140

5、.02140.39140.77141.15141.53141.91程序處理一般在使用PT100的溫度采集方案中，都會對放大器LM358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，在采樣過程當中會出現(xiàn)采樣信號與實際信號存在偏差的現(xiàn)象，甚至會出現(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

6、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)容請察看相關書籍。PID工作原理PID（ProportionalIntegralDerivative）控制是控制工程中技術成熟、應用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實踐，已形成了

7、一套完整的控制方法和典型的結構。它不僅適用于數(shù)學模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對于大多數(shù)數(shù)學模型難以確定的工業(yè)過程也可應用，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應用效果。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先設定的整定參數(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

8、（SP值），以達到控制目的，如圖所示，其實PID的實質(zhì)就是對偏差（e值）進行比例、積分、微分運算，根據(jù)運算結果控制執(zhí)行部件的過程。溫度控制PID算法設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前輸入，然后與設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的結構體數(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)，以及設定值，歷史誤差的累加和等信息：typedefstructPIDfloatSetPoint;/設定目標DesiredValuefloatPropo

9、rtion;/比例系數(shù)ProportionalConstfloatIntegral;/積分系數(shù)IntegralConstfloatDerivative;/微分系數(shù)DerivativeConstintLastError;/上次偏差intSumError;/歷史誤差累計值PID;PIDstPID;/定義一個stPID變量PID運算的C實現(xiàn)代碼floatPIDCalc(PID*pp,intNextPoint)intdError,Error;Error=pp->SetPoint*10NextPoint;/偏差，設定值減去當前采樣值pp->SumError+=Error;/積分，歷史偏差累加

10、dError=Errorpp->LastError;/當前微分，偏差相減pp->PrevError=pp->LastError;/保存pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error+pp->Integral*pp->SumErrorpp->Derivative*dError);其中(pp->Proportion*Error)是比例項；(pp->Integral*pp->SumError)是積分項；(pp->Derivative*dError)是微分?；赑tl00鉑熱電阻的溫

11、度變送器設計與實現(xiàn)溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)、生活應用和科學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)設計要求的不同，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計也有所變化，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，示值復現(xiàn)性高和耐氧化等優(yōu)點，該系統(tǒng)采用PtlOO鉑熱電阻作為溫度感測元件，進行溫度傳感器的設計與實現(xiàn)。在設計中，將電壓信號轉(zhuǎn)換為標準的420mA電流信號，既省去昂貴的補

12、償導線，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。lPtl00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)電阻的溫度響應特性較好，成本較低，可測量溫度較高；它在0匸的額定電阻值是100Q，是一種標準化器件。工作溫度范圍：-200+850°C，考慮到工業(yè)的實際應用，本系統(tǒng)設計的測量范圍為0120C。因為熱敏電阻的阻值和溫度呈正比關系，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-溫度關系，可

13、以計算出被測量的溫度值oPtl00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系式為：=Kg1十人T+E廣+CS100)廠(1)式中：R0為0C下的電阻值，R0=10OQ；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：A=3.9083X105t775X10"7,0,心0匸-4.183X102,r<0C顯然，電阻與溫度呈非線性關系，但當測量精度要求較低時，電阻值與溫度的函數(shù)關系可以簡化為：&=凡(1+AT)(2)實際應用中，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

14、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)結構與工作原理對PtlOO溫度傳感器進行了硬件設計。其整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。圖1中，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v/l轉(zhuǎn)換單元，將電壓信號轉(zhuǎn)為420mA的標準電流信號輸出，這樣既省去昂貴的補償導線，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420mA轉(zhuǎn)換為05V電壓信號。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)

15、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A/D采集到的數(shù)據(jù)進行處理，包括A/D值的濾波處理和A/D值向?qū)嶋H溫度轉(zhuǎn)換，最后送給顯示器顯示。3硬件設計硬件組成主要由穩(wěn)定電源電路、運算放大電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路四個部分組成。3.1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50mV；100mA負載時，壓差為380mV）。LP2951

16、具有很小的初始容限（一般0.5%），非常良好的負載及線路調(diào)節(jié)特性（一般0.05%），并具有非常低的溫度系數(shù)（20ppm/°C），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5V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（5V端），獲得輸出、Sense、反饋、5V端電壓。同樣，還可以通過1.235V的參考源獲得其他輸出電壓，最大30V。ILV330k“VinSENSEFBdViiKJ<OKGND戈I*1圖2穩(wěn)定電（5V）3.2主電路分析R7,R8,R4,RP1和PtlOO組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)

17、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420mA的標準電流信號輸出，因為A/D只能采集電壓信號，所以在信號進行A/D采集前，再通過芯片RCV420將420mA轉(zhuǎn)換為05V電壓信號。電橋的一個橋臂采用可調(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0+120°C變化，當溫度上升時，PtlOO阻值變大，輸入放大電路

18、的差分信號變大，放大電路的輸出電壓對應地升高，輸出電流也相應變大。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。20k門OUTI10kDtOUTLM253廠"轉(zhuǎn)換電曲Rzk£J出10Cbi<J卑中；%如耳；喲戡選掙通過兩艱刑«filk賦晴忙電I】；fiT號班廳施人1-LIOINIIliXJz3.3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420mA的環(huán)路電流變換成05V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)絡外，還集成有10V基準電壓源。在不需要外調(diào)整的情況下，可以獲得86dB的共模抑制比和40V的共模電壓輸入，在全量程范圍內(nèi)，輸入阻抗僅有1.5V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(-0.5+0.5C)允許范圍內(nèi)，實驗值等于理論值。該設計符合實際要求,如圖4所示。圖5給出實驗實物圖。'英忖戰(zhàn)沖;:L'/mAM.SV41