中心議題：

• 溫度傳感器工作原理及其應(yīng)用
• 學(xué)習(xí)傳感器前置放大電路

解決方案：

• 從傳感器前置放大電路輸出的信號(hào)

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(huì)引起嚴(yán)重的非線性問題,但是.由于有了單片機(jī)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(jì)算出其在整百℃時(shí)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(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(shí)際上，500 個(gè)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(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)的正確顯示問題。本電路沒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)影響測量的準(zhǔn)確度。(通常單片機(jī)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(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(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，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，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(duì),可以調(diào)整微調(diào)電位器來達(dá)到;然后用一只 281Ω 的電阻來模擬 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 的電阻來代替 250℃ 傳感器電阻輸入,應(yīng)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(shí)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(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。