pt100铂电阻测温电路(稳定版).doc

常用电路图R2、R3 、R4 和 Pt100 组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过 TL431 稳至 2.5V从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机电桥的一个桥臂采用可调电阻 R3，通过调节 R3 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点放大电路采用 LM358 集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图 5.1 所示，前一级约为 10 倍，后一级约为 3 倍温度在 0~100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压 Av 对应升高注意：虽然电桥部分已经经过 TL431 稳压，但是整个模块的电压 VCC 一定要稳定，否则随着 VCC 的波动，运放 LM358 的工作电压波动，输出电压 Av 随之波动，最后导致A/D 转换的结果波动，测量结果上下跳变铂热电阻阻值与温度关系为：式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735可见 Pt100 在常温0~100 摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At） ，当温度变化 1 摄氏度，Pt100 阻值近似变化 0.39 欧。

Pt100 的分度表（0℃~100℃） 程序处理一般在使用 PT100 的温度采集方案中，都会对放大器 LM358 采集来的模拟信号 AV进行温度采样，即进行 A/D 转换A/D 处理包括两方面内容，一是 A/D 值的滤波处理，二是 A/D 值向实际温度转换由于干扰或者电路噪声的存在，在采样过程当中会出现采样信号与实际信号存在偏差的现象，甚至会出现信号的高低波动，为了减小这方面原因造成的测量误差，在实际采样时采样 18 个点，然后再除去其中偏差较大的两个点，即一个最大值和一个最小值，再对剩余的 16 个点取均值，这样得到的 A/D 转换结果比较接近实际值在对数值进行滤波操作之后，还要将 A/D 值转换为温度，常用的两种方法为查表法和公式法：查表法比较麻烦，而且精度也不高，适合于线性化较差的 NTC 温度传感器；公式法比较简单，只需要确定比例系数 K 和基准偏差 B 即可，适合于线性化较好的传感器温度转换的 C 语言实现过程为：fT = (ADC_data * K) – B; //换算成温度值得到温度后，一般还会对被控对象根据实际温度和目标温度进行实时的控制，要又要设计到控制算法，如：模糊控制、PID 调节等。

这里简单介绍一下 PID 控制原理，更多内容请察看相关书籍PID 工作原理PID（Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数) 发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至 PID 控制器的输入端，并与其给定值 (以下简称 SP 值)进行比较得到偏差值 (以下简称 e 值) ，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP 值)，以达到控制目的 ，如图所示，其实 PID 的实质就是对偏差（e 值）进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程温度控制 PID 算法设计利用了上面所介绍的位置式 PID 算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，然后与设定值进行相减得偏差，然后再对之进行 PID 运算产生输出结果 fOut，然后让 fOut 控制定时器的时间进而控制加热器。

为了方便 PID 运算，首先建立一个 PID 的结构体数据类型，该数据类型用于保存 PID 运算所需要的 P、I、D 系数，以及设定值，历史误差的累加和等信息：typedef struct PID{float SetPoint; // 设定目标 Desired Valuefloat Proportion; // 比例系数 Proportional Constfloat Integral; // 积分系数 Integral Constfloat Derivative; // 微分系数 Derivative Constint LastError; // 上次偏差int SumError; // 历史误差累计值} PID;PID stPID; // 定义一个 stPID 变量PID 运算的 C 实现代码float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint ){int dError,Error;Error = pp->SetPoint*10 － NextPoint; // 偏差，设定值减去当前采样值pp->SumError += Error; // 积分，历史偏差累加dError = Error－ pp->LastError; // 当前微分，偏差相减pp->PrevError = pp->LastError; // 保存pp->LastError = Error;return (pp->Proportion * Error+ pp->Integral * pp->SumError－ pp->Derivative * dError);}其中(pp->Proportion * Error)是比例项；(pp->Integral * pp->SumError)是积分项；(pp->Derivative * dError)是微分。

基于 Ptl00 铂热电阻的温度变送器设计与实现温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业生产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数在工业控制过程中需要对控制对象进行温度监测，防止控制对象由于温度过高而损坏，因此温度的实时监测就显得更加重要对温度的实时监测有利于对控制对象的及时检查、保护，并及时调整温度的高低根据控制系统设计要求的不同，温度监测系统的设计也有所变化，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒压源器件的因铂热电阻具有测量范围大，稳定性好，示值复现性高和耐氧化等优点，该系统采用 PtlOO 铂热电阻作为温度感测元件，进行温度传感器的设计与实现在设计中，将电压信号转换为标准的 4～20 mA 电流信号，既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力l Ptl00 铂热电阻概述电阻值随温度的变化程度称为温漂系数，大部分金属材料的温漂系数是正数，而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定，具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等)取决于被测温度的范围金属铂(Pt)电阻的温度响应特性较好，成本较低，可测量温度较高；它在 0 ℃的额定电阻值是 100 Ω，是一种标准化器件。

工作温度范围：-200～+850 ℃，考虑到工业的实际应用，本系统设计的测量范围为 0～120℃因为热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的输出电压根据已知的电阻-温度关系，可以计算出被测量的温度值Ptl00 温度感测器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度检测器，其电阻和温度变化的关系式为：式中：R0 为 O ℃下的电阻值，R0=10O Ω；T 为摄氏温度因此，用铂做成的电阻式温度检测器，又称为 Ptl00 温度传感器，即：显然，电阻与温度呈非线性关系，但当测量精度要求较低时，电阻值与温度的函数关系可以简化为：实际应用中，Ptl00 的连接方式可以为两线制、三线制或四线制该系统采用三线制接法即可满足要求二线制连接时，由于引线电阻与 Ptl00 串联，增大了电阻，会影响测量；三线制连接时，对 Ptl00 额外增加了第三条线，由于引线电阻具有相同特性，能够对线电阻进行补偿；四线制连接时，可以实现Kelvin 检测，消除了两线连线的压差2 系统结构与工作原理对 PtlOO 温度传感器进行了硬件设计其整个数据采集系统结构框图如图 1 所示 图 1 中，利用铂热电阻特性来检测温度，将温度转换成电压信号；再通过 V／l 转换单元，将电压信号转为 4～20 mA 的标准电流信号输出，这样既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力；在单片机系统上再由电流电压转换芯片 RCV420 将 4～20 mA 转换为 O～5 V 电压信号。

经过A／D 转换成数字信号，单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理，并换算成与温度对应的数字信号，最后再由液晶显示器显示输出温度值CPU 主要完成对 A／D 采集到的数据进行处理，包括 A／D 值的滤波处理和 A／D 值向实际温度转换，最后送给显示器显示3 硬件设计硬件组成主要由稳定电源电路、运算放大电路、电压电流转换电路、电流电压转换电路四个部分组成3．1 稳定电源电路稳定电源电路如图 2 所示LP2951 是 S1PEX 公司推出的低功耗电压调节器，非常适用于一些电池供电系统，如无绳、无线控制系统及便携式电脑具有低静态电流、低压差等特性(轻微负载时，压差为 50 mV；100 mA 负载时，压差为 380 mV)LP2951 具有很小的初始容限(一般 0．5％)，非常良好的负载及线路调节特性(一般 0．05％)，并具有非常低的温度系数(20 ppm／℃)，因此非常适合用作低功耗电压源LP-2951 可以通过引脚连接得到 5 V 电压，使用内部分压器通过引脚 1(输出)及引脚 2(Sense)及引脚 7(反馈)到引脚 6(5 V 端)，获得输出、Sense、反馈、5 V 端电压同样，还可以通过 1．235 V 的参考源获得其他输出电压，最大 30 V。

3．2 主电路分析R7，R8，R4，RP1 和 Ptl00 组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压由 LP2951 电源芯片来提供从电桥获取的差分电压信号通过两级运放放大后，再经过电压／电流转换电路，转换为 4～20 mA 的标准电流信号输出，因为 A／D 只能采集电压信号，所以在信号进行 A／D 采集前，再通过芯片 RCV420 将 4～20 mA 转换为 O～5 V 电压信号电桥的一个桥臂采用可调电阻 RP1，通过调节 RP1，可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点放大电路采用 LM258 集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，其中可调电阻 RP2 用于调节放大电路的增益温度在 O～+120 ℃变化，当温度上升时，Ptl00 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应地升高，输出电流也相应变大实际选用的 R8 阻值比 PtlOO 高很多，因此 Ptl00 阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流法的线性输出3．3 电流电压转换电路RCV420 是美国 B-B 公司生产的一种精密电流电压变换器，它能将 4～20 mA 的环路电流变换成 O～5 V 的电压输出。

作为一种单片集成电路具有可靠的性能和很低的成本，除具有精密运放和电阻网络外，还集成有 10 V 基准电压源在不需要外调整的情况下，可以获得 86 dB 的共模抑制比和 40 V 的共模电压输入，在全量程范围内，输入阻抗仅有 1．5 V 的压降，对于环路电流具有很好的变换能力4 实验测试与结论由于万用表、温度测试仪等测量工具存在误差，很明显，从上面的实验数据分析，实验斜率 K1 近似等于理论斜率，即在工业误差(-0．5～+0．5 ℃)允许范围内，实验值等于理。