溫度傳感器工作原理及其應(yīng)用

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(gè)電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機(jī) 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:

工作原理:

傳感器的接入非常簡(jiǎn)單,從系統(tǒng)的 5V 供電端僅僅通過(guò)一支 3K92 的電阻就連接到 PT100 了.這種接法通常會(huì)引起嚴(yán)重的非線性問(wèn)題,但是.由于有了單片機(jī)的軟件校正作為后盾,因此就簡(jiǎn)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(jì)算出其在整百℃時(shí)的輸出電壓，見(jiàn)下面的表格：

單片機(jī)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(shí)的單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換輸入電壓，必須對(duì)傳感器的原始輸出電壓進(jìn)行放大，計(jì)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(shuō)明：有熱心的用戶朋友詢問(wèn)，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(shí)際上，500 個(gè)字的理想值是無(wú)法靠電路本身自然得到的，自然得到的數(shù)字僅僅為 450 個(gè)字，因此，公式中的 500℃ 在實(shí)際計(jì)算時(shí)的取值是 450 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47 。其實(shí)，計(jì)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(cè)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(jì)算結(jié)果就吻合了。

運(yùn)算放大器分為兩級(jí)，后級(jí)固定放大 5 倍（原理圖中 12K/3K+1=5），前級(jí)放大為：10.465922/5=2.0931844 倍,為了防止調(diào)整時(shí)的元器件及其他偏差，使用了一只精密微調(diào)電位器對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)，可以保證比較準(zhǔn)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(cè)量電路里，都會(huì)有一個(gè)“調(diào)零”和另一個(gè)“調(diào)滿度”電位器，以方便調(diào)整傳感器在“零度”及“滿度”時(shí)的正確顯示問(wèn)題。本電路沒(méi)有采用兩只電位器是因?yàn)橹灰?ldquo;零度”調(diào)整準(zhǔn)確了，就可以保證整個(gè)工作范圍的正確顯示，當(dāng)然也包括滿度時(shí)的最大顯示問(wèn)題了。

那么，電路中對(duì)“零度”是如何處理的呢？它是由單片機(jī)程序中把這個(gè)“零度”數(shù)字直接減掉就是了，在整個(gè)工作范圍內(nèi)，程序都會(huì)自動(dòng)減掉“零度”值之后再作為有效數(shù)值來(lái)使用。

當(dāng)供電電壓發(fā)生偏差后，是否會(huì)引起傳感器輸入的變化進(jìn)而影響準(zhǔn)確度呢？供電變化后，必然引起流過(guò)傳感器的電流發(fā)生變化，也就會(huì)使傳感器輸出電壓發(fā)生變化?？墒?，以此同時(shí)，單片機(jī)的供電也是在同步地接受到這種供電變化的，當(dāng)單片機(jī)的 A/D 基準(zhǔn)使用供電電壓時(shí)，就意味著測(cè)量基準(zhǔn)也在同步同方向發(fā)生變化，因此，只要參數(shù)選擇得當(dāng)，系統(tǒng)供電的變化在 20% 之內(nèi)時(shí)，就不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。(通常單片機(jī)系統(tǒng)并不允許供電有過(guò)大的變化，這不僅僅是在溫度測(cè)量電路中的要求。）

后級(jí)單片機(jī)電路的原理圖如下：

從傳感器前置放大電路輸出的信號(hào)，就送入到 HT46R23 的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入端口（PB0/AN0），由單片機(jī)去進(jìn)行各種必需的處理。首先是進(jìn)行軟件非線性校正，把輸入信號(hào)按照不同的溫度值劃分為不同段，再根據(jù)其所在的段分別乘以不同的補(bǔ)償系數(shù)，令其與理論值盡量接近，經(jīng)過(guò)非線性校正的數(shù)字，才被送去進(jìn)行顯示，比較用戶設(shè)定的控制值等等。

各段的非線性補(bǔ)償系數(shù)見(jiàn)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

本電路還有一個(gè)特點(diǎn)，就是用戶可以在工作范圍內(nèi)，任意設(shè)定 3 個(gè)超限控制值。當(dāng)測(cè)量顯示值大于設(shè)定值的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的控制端口就會(huì)輸出高電平。利用這個(gè)高電平信號(hào)，再外接一級(jí)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的電路，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在某一個(gè)控制端口輸出高電平的同時(shí)，與之串聯(lián)的 LED 發(fā)光管會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮，以便提示使用者是哪一個(gè)設(shè)定值在輸出控制信號(hào)。

電路中的 24C02 是電存儲(chǔ)器，可以把使用者設(shè)定的控制值可靠地保存起來(lái)，即使掉電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

電路圖中還有 3 只按鍵，它們分別是“設(shè)定”、“加置數(shù)”和“減置數(shù)”操作按鍵，用于使用者進(jìn)行超限值的設(shè)置。使用方法如下：

按動(dòng)一下設(shè)定鍵，屏幕顯示“1--”，表示現(xiàn)在進(jìn)入第一個(gè)超限值的設(shè)置，三秒后屏幕自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到顯示“***”并閃爍(*** 代表原來(lái)電存儲(chǔ)器里儲(chǔ)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(huì)加一(或減一)，如果按住按鍵三秒以上不放開(kāi)，屏幕上的前兩位數(shù)字就會(huì)快速進(jìn)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(gè)超限值就設(shè)置完成了。

接著，再按動(dòng)一下設(shè)定鍵屏幕顯示“2--”，表示現(xiàn)在進(jìn)入第二個(gè)超限值的設(shè)置，三秒后屏幕自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到顯示“***”并閃爍....,接下來(lái)的操作與第一個(gè)超限值的操作完全一樣。

第三個(gè)超限值的設(shè)置與上面兩個(gè)完全一樣。

當(dāng)設(shè)置好 3 個(gè)超限值之后，還必須最后按動(dòng)一下設(shè)定鍵，退出設(shè)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(dòng)退出的操作，程序就會(huì)等待 10 秒之后，自動(dòng)返回正常工作狀態(tài)。

簡(jiǎn)易調(diào)試方法:

可以使用 100Ω 的電阻來(lái)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(duì),可以調(diào)整微調(diào)電位器來(lái)達(dá)到;然后用一只 281Ω 的電阻來(lái)模擬 PT100 在 500℃ 時(shí)傳感器的電阻值,顯示應(yīng)該在 500 字±1字；最后，使用一只 194Ω 的電阻來(lái)代替 250℃ 傳感器電阻輸入,應(yīng)該顯示 250±1 字.如果經(jīng)過(guò)上面調(diào)試沒(méi)有問(wèn)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(lái)校正它。）

在實(shí)際工作中，要求電路的供電電壓為 5V±5%.如果測(cè)量顯示值大于某一個(gè)超限值，對(duì)應(yīng)的控制端口就會(huì)立即輸出高電平。

如果傳感器發(fā)生開(kāi)路故障,顯示就會(huì)出現(xiàn)"HHH",如果傳感器及其引線發(fā)生了短路,顯示就會(huì)立即出現(xiàn)"LLL".為了防止傳感器出現(xiàn)開(kāi)路或者短路之后可能會(huì)引起的不良后果，這時(shí)候，3 個(gè)控制輸出端口都會(huì)優(yōu)先關(guān)閉。