PT100應用的電路及相關例題

1、PT100應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.整個電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機 A/D 轉換和顯示,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.這種接法通常會引起嚴重的非線性問題,但是.由于有了單片機的軟件校正作為后盾,因此就簡化了傳感器的接入方式.按照 PT100 的參數,其在 0 到 500 的區(qū)間內,電阻值為

2、 100 至 280.9，我們按照其串聯分壓的接法，使用公式：Vcc/(PT100+3K92）* PT100 = 輸出電壓（mV），可以計算出其在整百時的輸出電壓，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 字時的單片機 A/D 轉換輸入電壓，必須對傳感器的原始輸出電壓進行放大，計算公式為：(500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓( mV/ ) ，（Vcc系統(tǒng)供電5V），可以得到放大倍數為 10.466 。關于放大倍數的說明：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 的結果，而是得到 11.635的結果。實際上，500 個字的理想值是無法靠電路本身自然得到的，自然得到的數字僅僅為 450 個字，因此，公式中的 500 在實際計算時的取值是 45

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

5、量電路里，都會有一個“調零”和另一個“調滿度”電位器，以方便調整傳感器在“零度”及“滿度”時的正確顯示問題。本電路沒有采用兩只電位器是因為只要“零度”調整準確了，就可以保證整個工作范圍的正確顯示，當然也包括滿度時的最大顯示問題了。那么，電路中對“零度”是如何處理的呢？它是由單片機程序中把這個“零度”數字直接減掉就是了，在整個工作范圍內，程序都會自動減掉“零度”值之后再作為有效數值來使用。當供電電壓發(fā)生偏差后，是否會引起傳感器輸入的變化進而影響準確度呢？供電變化后，必然引起流過傳感器的電流發(fā)生變化，也就會使傳感器輸出電壓發(fā)生變化。可是，以此同時，單片機的供電也是在同步地接受到這種供電變化的，當單

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

7、性補償系數見下列表格（僅僅列出主要段的數據，非全部表格內容）： 傳感電壓mV/內部AD讀數校正系數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本電路還有一個特點，就是用戶可以在工作范圍內，任意設定 3 個超限控制值。當測量顯示值大于設定值的時候，對應的控制端口就會輸出高電平。利用這個高電平信號，再外接一級三極管驅動繼電器的電路，就可以實現自動控制。在某一個控制端口輸出高電平的同時，與之串聯的 LED 發(fā)光管會同時點亮，以便提示使用者是哪一個設定值在輸出控制信號。電路中的 24C02 是電存儲器，可以把使用者設定的控制值可靠地保存起來，即使掉電也不會丟失數據。電路圖中還有 3 只按鍵，它們分別是“設定”、“加

9、置數”和“減置數”操作按鍵，用于使用者進行超限值的設置。使用方法如下：按動一下設定鍵，屏幕顯示“1-”，表示現在進入第一個超限值的設置，三秒后屏幕自動跳轉到顯示“*”并閃爍(* 代表原來電存儲器里儲存的超限數值)，然后，按壓加數鍵(或減數鍵)，屏幕上的最低位的數字就會加一(或減一)，如果按住按鍵三秒以上不放開，屏幕上的前兩位數字就會快速進行加數(或減數)。把屏幕上的數字調整到所需要的數字后，這個超限值就設置完成了。接著，再按動一下設定鍵屏幕顯示“2-”，表示現在進入第二個超限值的設置，三秒后屏幕自動跳轉到顯示“*”并閃爍.,接下來的操作與第一個超限值的操作完全一樣。第三個超限值的設置與上面兩個

10、完全一樣。當設置好 3 個超限值之后，還必須最后按動一下設定鍵，退出設定狀態(tài)而返回正常工作狀態(tài)。如果忘記了這最后一次按動退出的操作，程序就會等待 10 秒之后，自動返回正常工作狀態(tài)。簡易調試方法:可以使用 100 的電阻來模擬 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,可以調整微調電位器來達到;然后用一只 281 的電阻來模擬 PT100 在 500 時傳感器的電阻值,顯示應該在 500 字1字；最后，使用一只 194 的電阻來代替 250 傳感器電阻輸入,應該顯示 2501 字.如果經過上面調試沒有問題,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，可以微調一下前置放大的電位器來校正它。）在實際工作中，要求電路的供電電壓為 5V5%.如果測量顯示值大于某一個超限值，對應的控制端口就會立即輸出高電平。如果傳感器發(fā)生開路故障,顯示就會出現HHH,如果傳感器及其引線發(fā)生了短路,顯示就會立即出現LLL.為了防止傳感器出現開路或者短路之后可能會引起的不良后果，這時候，3 個控制輸出端口都會優(yōu)先關閉。二 HT46R23單片機制作的099.9的調功溫控表頭單片機HT46R23 簡介:這是我國臺灣省盛群公司產的一款 8 位高性能精簡指令集單片機，專門為需要 A/D 轉換的產品而設計。例如：傳感器信號輸入。低功耗，I/O 使用靈活，可

12、編程分頻器、計數器，振蕩類型選擇，多通道A/D 轉換，脈沖測量功能 I2C 通信，暫停和喚醒功能。使這款單片機可以廣泛應用于傳感器的 A/D 轉換、馬達控制、工業(yè)控制、消費類產品等系統(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 個雙向輸入/輸出口。1 個與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入。16 位可編程定時/計數器具有溢出中斷和7級預分頻器。內置晶體和RC 振蕩電路?？撮T狗定時器。4096 15 程序存儲器ROM。192 8 數據存儲器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。查表指令表格內容字長15 位。63 條指令。指令執(zhí)行時間為 1 或 2 個指令周期。低電壓復位功能。I2C 總線slave 模式。24/28-pinSKDIP/SOP 封裝。使用 HT46R23 制作 PN 結 0 99.9 的調功輸出溫控表頭:本文介紹的單片機制作項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）。整個電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機 A/D 轉換和顯示,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 結的“+”端， PN 結的“-”端就接在運放的輸出端上。根據運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，其反相端就會始終自動跟隨同相端的電壓，我們可以微調同相端的電壓，使得其在 PN 結處于“0” 時，同相端電壓與 PN 結的壓降相等，這樣，

15、運算放大器就會輸出 0.00V！這種接法會很好地改善傳感器因為其壓降變化而引起的電流變化，使得傳感器在整個工作范圍內始終保持流過它的電流不變，從而具有較好好的線性度。當測量溫度在 0 以下時，由于單片機的 A/D 轉換輸入不能接受負的信號，因此，本電路是在測量溫度為 2.4 時，恒流饋電運放的輸出等于 0.00V ，而當測量溫度為 0 時，恒流饋電運放的輸出為 4.8mV。（PN 結傳感器的溫度系數為2.0mV/ 左右，經過運放的反相輸出而成為 2mV/）。第二級運放的作用僅僅是把傳感器經過恒流饋電運放來的信號進行放大，所需要的放大倍數為：KV=（5000/1024)/(2/10).經過計算，

16、KV=24.414 倍。(式中：5000 為單片機供電即 A/D 基準電壓，1024 為 10 位 AD 值，2/10 是把傳感器的溫度分辨力升到 0.1 ，電壓單位全部為 mV )。電路圖的第二級運放中，各電阻配置計算就是從這個 KV 值出發(fā)的。當然，構成 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，在溫度測量電路里，都會有一個“調零”和另一個“調滿度”電位器，以方便調整傳感器在“零度”及“滿度”時的正確顯示問題。本電路采用恒流饋電運放所屬的微調電位器來調整“0”，而采用第二級運放的放大倍數調整微調電位器來調整

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

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

19、需的處理。首先是把測量溫度值轉換成為十進制數字送到數碼管進行顯示，然后是處理用戶的兩個設定超限值，以及調功輸出部分。用戶可以在工作范圍內，任意設定 2 個超限控制值。當測量顯示值大于設定值的時候，對應的控制端口就會輸出高電平。利用這個高電平信號，再外接一級三極管驅動繼電器的電路，就可以實現超限報警、超限保護或者自動控制。而在調功控制輸出端口則輸出仿照 PID 控制的調節(jié)控制輸出。在某一個控制端口輸出高電平的同時，與之串聯的 LED 發(fā)光管會同時點亮，以便提示使用者是哪一個控制輸出端口在輸出控制信號。采用調功方式控制溫度：調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，根據被控對象反饋回來的數據進行調整，溫度偏高了，就減少輸出時間，溫度下降了，就增加輸出時間。而且，它可以根據最近的幾組數據的趨勢，自動提前進行輸出調整，因此，它沒有普通位式溫控的嚴重“溫度過沖”現象，也不會有被控溫度大起大落的弊病。當初始送電時，電路會以全功率進行快速升溫，在升溫的過程中，程序會自動捕捉有關升溫速率，升溫時間，以及用戶需要控制的溫度值，然后，按照有關數據，進行調整輸出功率（通過調整輸出時間與無輸出的時間長短來實現），通常，恒溫精度可以達到 0.20.3 之內。采用調功方式的溫控電路，其輸出控制執(zhí)行元件可以是繼電器，也可以是半導體可控硅

21、。由于繼電器的動作頻率和觸點壽命等影響，往往沒有采用可控硅那種快速動作，無觸點，無火花等良好效果，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高反峰電壓而損壞，因此，選擇可控硅時，要充分注意其耐壓參數及增加輔助過壓保護元件）。參考電路如下：超限設置方法：電路圖中還有 3 只按鍵，它們分別是“設定”、“加置數”和“減置數”操作按鍵，用于使用者進行超限值的設置。使用方法如下：按動一下設定鍵，屏幕顯示“1-”，表示現在進入第一個超限值的設置，三秒后屏幕自動跳轉到顯示“*”并閃爍(* 代表原來電存儲器里儲存的超限數值)，然后，按壓加數鍵(或減數鍵)，屏幕上的最低位的數字就會加一(或減一)，如果按住按鍵三秒以上不放開，屏幕上的前兩位數字就會快速進行加數(或減數)。把屏幕上的數字調整到所需要的數字后，這個超限值就設置完成了。接著，再按動