- 溫度傳感器工作原理及其應用
- 學習傳感器前置放大電路
- 從傳感器前置放大電路輸出的信號
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(zhuǎn)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:
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(shù),其在 0℃ 到 500℃ 的區(qū)間內(nèi),電阻值為 100 至 280.9Ω，我們按照其串聯(lián)分壓的揭發(fā)，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 Ω |
傳感兩端電壓 mV |
|
0 |
100.00 |
124.38 |
|
1 |
100.39 |
124.8 |
|
50 |
119.40 |
147.79 |
|
100 |
138.51 |
170.64 |
|
150 |
157.33 |
192.93 |
|
200 |
175.86 |
214.68 |
|
250 |
194.10 |
235.90 |
|
300 |
212.05 |
256.59 |
|
350 |
229.72 |
276.79 |
|
400 |
247.09 |
296.48 |
|
450 |
264.18 |
315.69 |
|
500 |
280.98 |
334.42 |
單片機的 10 位 A/D 在滿度量程下，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(zhuǎn)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(shù)為 10.466 。
關(guān)于放大倍數(shù)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(jié)果，而是得到 11.635的結(jié)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(shù)字僅僅為 450 個字，因此，公式中的 500℃ 在實際計算時的取值是 450 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47 。其實，計算的方法有多種，關(guān)鍵是要按照傳感器的 mV/℃ 為依據(jù)而不是以被測溫度值為依據(jù)，我們看看加上非線性校正系數(shù)：10.47*1.1117=11.639499 ，這樣，熱心朋友的計算結(jié)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(diào)整時的元器件及其他偏差，使用了一只精密微調(diào)電位器對放大倍數(shù)進行細調(diào)，可以保證比較準確地調(diào)整到所需要的放大倍數(shù)(原理圖中 10K/(8K2+Rw)+1)。
通常，在溫度測量電路里，都會有一個“調(diào)零”和另一個“調(diào)滿度”電位器，以方便調(diào)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(diào)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(shù)字直接減掉就是了，在整個工作范圍內(nèi)，程序都會自動減掉“零度”值之后再作為有效數(shù)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(shù)選擇得當，系統(tǒng)供電的變化在 20% 之內(nèi)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。）
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后級單片機電路的原理圖如下：
各段的非線性補償系數(shù)見下列表格（僅僅列出主要段的數(shù)據(jù)，非全部表格內(nèi)容）：
傳感電壓
|
傳感電壓 |
mV/℃ |
內(nèi)部AD讀數(shù) |
校正系數(shù) |
|
124.3781 |
供電電阻=3K92±1%,供電電壓=5.000V±1% |
||
|
124.8450 |
0.4670 |
1.00 |
1.0000 |
|
147.7942 |
0.4683 |
50.14 |
0.9972 |
|
170.6414 |
0.4626 |
99.06 |
1.0095 |
|
192.9326 |
0.4570 |
146.80 |
1.0218 |
|
214.6802 |
0.4515 |
193.36 |
1.0343 |
|
235.8961 |
0.4461 |
238.79 |
1.0469 |
|
256.5918 |
0.4407 |
283.11 |
1.0597 |
|
276.7898 |
0.4355 |
326.36 |
1.0724 |
|
296.4779 |
0.4302 |
368.52 |
1.0854 |
|
315.6891 |
0.4251 |
409.65 |
1.0985 |
|
334.4220 |
0.4201 |
449.76 |
1.1117 |
本電路還有一個特點，就是用戶可以在工作范圍內(nèi)，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(qū)動繼電器的電路，就可以實現(xiàn)自動控制。在某一個控制端口輸出高電平的同時，與之串聯(lián)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(shù)據(jù)。
電路圖中還有 3 只按鍵，它們分別是“設定”、“加置數(shù)”和“減置數(shù)”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(xiàn)在進入第一個超限值的設置，三秒后屏幕自動跳轉(zhuǎn)到顯示“***”并閃爍(*** 代表原來電存儲器里儲存的超限數(shù)值)，然后，按壓加數(shù)鍵(或減數(shù)鍵)，屏幕上的最低位的數(shù)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(shù)字就會快速進行加數(shù)(或減數(shù))。把屏幕上的數(shù)字調(diào)整到所需要的數(shù)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(xiàn)在進入第二個超限值的設置，三秒后屏幕自動跳轉(zhuǎn)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(diào)試方法:
可以使用 100Ω 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(diào)整微調(diào)電位器來達到;然后用一只 281Ω 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 194Ω 的電阻來代替 250℃ 傳感器電阻輸入,應該顯示 250±1 字.如果經(jīng)過上面調(diào)試沒有問題,就可以接入真正的 PT100 傳感器投入使用了.（真正的傳感器也有誤差，可以微調(diào)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 5V±5%.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(xiàn)"HHH",如果傳感器及其引線發(fā)生了短路,顯示就會立即出現(xiàn)"LLL".為了防止傳感器出現(xiàn)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(guān)閉。
