溫度傳感器工作原理及其應用
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.
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/166015.htm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??墒牵源送瑫r,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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