Pt100溫度采集說明

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案黃山學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書專業(yè)：自 動(dòng)化班級(jí)：卓 越班姓名：周 振指導(dǎo)老師：錢 慶文老師成績(jī)：2014 年6月7日精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)題目功能

設(shè)計(jì)Pt100 溫度傳感器采集電路利用PT100 來制作溫度采集，溫度范圍技術(shù)-20度到600度，精度0.1度。指標(biāo)工作量 一周利用兩天了解 Pt100的特性以及應(yīng)用，還有兩天時(shí)間來進(jìn)行電路分工作計(jì)劃析以及繪制，最后仿真調(diào)試。其余時(shí)間來做結(jié)論，總結(jié)指導(dǎo)教師評(píng)語精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案第一章緒論：設(shè)計(jì)一個(gè)Pt100溫度傳感器采集電路，溫度范圍從-20到600度，精確到0.1度。pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時(shí)它的阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)的。通過Pt的溫度特性來根據(jù)采集信號(hào)的變化來測(cè)得溫度。第二章電路的的方框圖：精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案溫電數(shù)還電信A顯度阻字原壓號(hào)D示變變?yōu)V為變放采溫化化化大集波溫度度第三章單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件的選擇：系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)分析溫度影響PT100的電阻，也就意味著，只要測(cè)出 PT100的電阻，就能測(cè)出溫度，而電阻可以由設(shè)計(jì)的電路測(cè)電壓或者電流計(jì)算出來， 然后再將電壓或者電流的模擬信號(hào)被系統(tǒng)采樣量化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再由系統(tǒng)進(jìn)行換算，其中因?yàn)镻T100的工作電流不能太大 1mA左右，相應(yīng)電壓信號(hào)會(huì)比較微弱，所以需要放大信號(hào)，以便于后面 AD采樣。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)顯示溫電電信A數(shù)還度原阻壓號(hào)D顯變字為變變放采示濾化溫化化大集溫波度度而這個(gè)課程設(shè)計(jì)是溫度顯示儀表系統(tǒng)，所以系統(tǒng)主要分成三個(gè)部分，精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案1)是數(shù)據(jù)采集，也就是 PT100的電路選擇，信號(hào)的放大和 AD轉(zhuǎn)換。PT100的采樣有兩種，電阻接法有三種；為了防止非線性誤差，有經(jīng)過兩級(jí)放大的， AD采樣需要考慮采樣倍數(shù)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(diǎn)，因?yàn)樗绊懥苏麄€(gè)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(duì)比較簡(jiǎn)單。關(guān)于PT100系統(tǒng)的一些簡(jiǎn)單數(shù)值估計(jì)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)系的線性度非常好，如上圖所示，看起來非常接近于直線。因此在測(cè)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+αT)其中α=0.00392,Ro 為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度。但是對(duì)于此次課程設(shè)計(jì)，這個(gè)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0～600℃范圍內(nèi)：Rt=Ro(1+At+Bt 2)在-20～0℃范圍內(nèi)：Rt=Ro(1+At+Bt 2+C(t-100)t3)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案式中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(jì)的最高電阻值約為RH=R0(1+At+Bt 2)=100（1+3.96847×10-3*600+-5.847 ×10-7*600*600 ）≈314.059Ω最低電阻值約為RL=R0(1+At+Bt 2+C(t-100)t3)=100（1+3.96847×10-3*-20+-5.847 ×10-7*-20*-20+-4.22 ×10-12）≈92.16Ω約跨度RH-RL=222Ω其中跨溫度620℃，采樣精度 0.1也就意味著差不多 6200個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)平均分?jǐn)?0.0358Ω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要被檢測(cè)出來的最大分辨率應(yīng)該是1mA*0.0358 Ω=0.0358mVPT100兩端的電壓值的取值范圍大概為 0.092V~0.314V6200個(gè)采樣點(diǎn)需要13位二進(jìn)制來表示，所以 AD轉(zhuǎn)換器需要分辨率 13位精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案以上，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(shí)間:25μs，ADS7825 自帶了時(shí)鐘，也可以外置時(shí)鐘，應(yīng)該如果外接時(shí)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， 那么采樣速度要變成原來的 1/N倍，即速度變慢，N為一次測(cè)溫的采樣點(diǎn)數(shù)。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(cè)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(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100 熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)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(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上， 使得導(dǎo)線電阻得以精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案消除。其實(shí)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。所以最終選擇三線制接法橋式測(cè)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(diǎn)見附錄。2）采樣信號(hào)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(shí)值， 可能會(huì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)濾波的。為了減少干擾，所以我們?cè)诓杉诵盘?hào)之后，肯定要在最后轉(zhuǎn)化為溫度之前，因?yàn)閿?shù)字濾波的處理比模擬濾波實(shí)現(xiàn)起來方便，但是缺點(diǎn)是耗費(fèi)更多地計(jì)算時(shí)間。數(shù)字濾波的前提是對(duì)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(dòng)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(chǎng)環(huán)境和被測(cè)對(duì)象而定，在本系統(tǒng)中采用的是去極值均值濾波，因?yàn)樗阈g(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾或粗大誤差消除，只能將精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案其影響削弱效果應(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(duì)于溫度信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓采樣值，連續(xù)采樣 n次，將其累加求和，同時(shí)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-2 個(gè)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(duì)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(gè)是存儲(chǔ)溫度，電阻對(duì)應(yīng)的表，一個(gè)是建立精確的數(shù)學(xué)模型。但是6200個(gè)采樣點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，根本需要很大的存儲(chǔ)空間，所以是一個(gè)不現(xiàn)實(shí)的問題， 單純擬合的數(shù)學(xué)模型也會(huì)非常復(fù)雜。所以這里大多數(shù)時(shí)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(huì)很復(fù)雜，也不需要占用很多存儲(chǔ)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(gè)溫度值選一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，那么就一共有 125個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，在單片機(jī)的 ROM里面存儲(chǔ)著125個(gè)點(diǎn)的電阻和溫度對(duì)應(yīng)值。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案采用線性插值算法進(jìn)行標(biāo)度變換時(shí)，將檢測(cè)值 Rx通過順序查表，與標(biāo)定點(diǎn)R[i]比較，確定區(qū)間 R[i]<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(shí)實(shí)測(cè)對(duì)象的溫度 Tx。已知查表得R[46]<Rx<R[47],R[46]＝111.67，R[47]＝113.61?,T[46]=30℃,Tx=T[46]+5*(Rx-R[46])/(R[47]-R[46])=32.06 ℃所以此時(shí)溫度為 32.064）AD采樣電路這個(gè)芯片支持串行并行數(shù)據(jù)的輸出，不能輸出在BUSY腳輸出為高電平之前,電壓輸入R/C必須置為高電平,否則會(huì)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(gè)接口是模擬電路的輸入接口。 AIN0～AIN3:4 個(gè)模擬通道,可接受 -10.0～10.0V 的模擬輸入電壓 ;BYTE:并行數(shù)據(jù)輸出選擇位,僅在數(shù)據(jù)作并行輸出時(shí)使用。BYTE=1 時(shí),輸出低 8位D0～D7BYTE=0時(shí),輸出高 8位D0～D7第四章精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案電路的調(diào)試與仿真：提供穩(wěn)定的基極電壓4.1V,使采集到有效的電壓差給運(yùn)放電路，最后得出相應(yīng)的電壓變化。相應(yīng)的電路仿真調(diào)試如下：五、收獲與體會(huì)：這次的課程設(shè)計(jì)，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(diǎn)頭緒，但是總歸是建立在理論的基礎(chǔ)上， 很多東西不涉及到硬件配置就僅僅是猜測(cè)，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，也就是這個(gè)道理吧。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案數(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(shí)候數(shù)字濾波也能達(dá)到很好地效果。另外，對(duì)于精度要求比較高的東西， 實(shí)踐和理論也是有一點(diǎn)差別的， 因?yàn)槿绻皇沁@門課本來就是實(shí)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(shí)候，可能感觸會(huì)更加深刻一點(diǎn)吧。附錄1：簡(jiǎn)單的電阻到電壓的轉(zhuǎn)換圖1的電路是一種簡(jiǎn)單的電阻到電壓的轉(zhuǎn)換形式， 電壓源激勵(lì)（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。我們先不考慮引線電阻 R2和R3，在0℃時(shí)Rd=100Ω，VF=2.5V；在300℃時(shí)，Rd=212Ω，則VF=3.397V ，整個(gè)電壓測(cè)量范圍為 2.5V—3.397V，而AD的量程為 0-5V，待測(cè)信號(hào)的電平測(cè)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(jì)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(cè)溫電路設(shè)計(jì)的3、三線制 PT100 恒流源激勵(lì)橋式電路圖4是三線制電流源激勵(lì)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(lì)。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案圖4中，VF1=（Rt1+Rt2+Rt）*IS1，VF2=(Rt2+Rt3+Rd)*IS2，IS1=IS2=1mA，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(lì)的方式，可以完全消除引線電阻帶來的影響。在本設(shè)計(jì)中要求遠(yuǎn)距離測(cè)溫，在傳感器的前端電路設(shè)計(jì)中，采用三線制PT100恒流源激勵(lì)橋式電路。附錄2：溫度特性表-2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.8089.4089.0188.62-1096.0995.6995.3094.9194.5294.1293.7393.3492.9592.550100.0099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.480100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5280130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.40140.78141.16141.5414