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昆仑工控温度传感器PT100工作原理及其应用
使用温度传感器PT100,这是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围.本电路选择其工作在-19℃至500℃范围.
整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机A/D转换和显示,控制,软件非线性校正等部分.
温度传感器PT100前置放大部分原理图如下:
温度传感器PT100工作原理:
传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.
按照温度传感器PT100的参数,其在0℃到500℃的区间内,电阻值为100至280.9Ω，我们按照其串联分压的揭发，使用公式：Vcc/（PT100+3K92）*PT100=输出电压（mV），可以计算出其在整百℃时的输出电压，见下面的表格：
温度℃PT100阻值Ω传感两端电压mV0100.00124.381100.39124.850119.40147.79100138.51170.64150157.33192.93200175.86214.68250194.10235.90300212.05256.59350229.72276.79400247.09296.48450264.18315.69500280.98334.42温度传感器PT100单片机的10位A/D在满度量程下，Zda显示为1023字，为了得到PT100传感器输出电压在显示500字时的单片机A/D转换输入电压，必须对传感器的原始输出电压进行放大，计算公式为：（500/1023*Vcc）/传感器两端电压（mV/℃），（Vcc＝系统供电＝5V），可以得到放大倍数为10.466。
关于放大倍数的说明：有热心的用户朋友询问，按照（500/1023*Vcc）/传感器两端电压不能得到10.466的结果，而是得到11.635的结果。实际上，500个字的理想值是无法靠电路本身自然得到的，自然得到的数字仅仅为450个字，因此，公式中的500℃在实际计算时的取值是450而不是500。450/1023*5/（0.33442-0.12438）≈10.47。其实，计算的方法有多种，关键是要按照传感器的mV/℃为依据而不是以被测温度值为依据，我们看看加上非线性校正系数：10.47*1.1117=11.639499，这样，热心朋友的计算结果就吻合了。
运算放大器分为两级，后级固定放大5倍（原理图中12K/3K+1=5），前级放大为：10.465922/5=2.0931844倍,为了防止调整时的元器件及其他偏差，使用了一只精密微调电位器对放大倍数进行细调，可以保证比较准确地调整到所需要的放大倍数（原理图中10K/（8K2+Rw）+1）。
通常，在温度测量电路里，都会有一个“调零”和另一个“调满度”电位器，以方便调整传感器在“零度”及“满度”时的正确显示问题。本电路没有采用两只电位器是因为只要“零度”调整准确了，就可以保证整个工作范围的正确显示，当然也包括满度时的Zda显示问题了。
那么，电路中对“零度”是如何处理的呢？它是由单片机程序中把这个“零度”数字直接减掉就是了，在整个工作范围内，程序都会自动减掉“零度”值之后再作为有效数值来使用。
当供电电压发生偏差后，是否会引起传感器输入的变化进而影响准确度呢？供电变化后，必然引起流过传感器的电流发生变化，也就会使传感器输出电压发生变化。可是，以此同时，单片机的供电也是在同步地接受到这种供电变化的，当单片机的A/D基准使用供电电压时，就意味着测量基准也在同步同方向发生变化，因此，只要参数选择得当，系统供电的变化在20%之内时，就不会影响测量的准确度。（通常单片机系统并不允许供电有过大的变化，这不仅仅是在温度测量电路中的要求。）
后级单片机电路的原理图如下：
从传感器前置放大电路输出的信号，就送入到HT46R23的A/D转换输入端口（PB0/AN0），由单片机去进行各种必需的处理。首先是进行软件非线性校正，把输入信号按照不同的温度值划分为不同段，再根据其所在的段分别乘以不同的补偿系数，令其与理论值尽量接近，经过非线性校正的数字，才被送去进行显示，比较用户设定的控制值等等。
各段的非线性补偿系数见下列表格（仅仅列出主要段的数据，非全部表格内容）：
传感电压
传感电压mV/℃内部AD读数校正系数124.3781供电电阻=3K92±1%,供电电压=5.000V±1%124.84500.46701.001.0000147.79420.468350.140.9972170.64140.462699.061.0095192.93260.4570146.801.0218214.68020.4515193.361.0343235.89610.4461238.791.0469256.59180.4407283.111.0597276.78980.4355326.361.0724296.47790.4302368.521.0854315.68910.4251409.651.0985334.42200.4201449.761.1117本电路还有一个特点，就是用户可以在工作范围内，任意设定3个超限控制值。当测量显示值大于设定值的时候，对应的控制端口就会输出高电平。利用这个高电平信号，再外接一级三极管驱动继电器的电路，就可以实现自动控制。在某一个控制端口输出高电平的同时，与之串联的LED发光管会同时点亮，以便提示使用者是哪一个设定值在输出控制信号。
电路中的24C02是电存储器，可以把使用者设定的控制值可靠地保存起来，即使掉电也不会丢失数据。
电路图中还有3只按键，它们分别是“设定”、“加置数”和“减置数”操作按键，用于使用者进行超限值的设置。使用方法如下：
按动一下设定键，屏幕显示“1--”，表示现在进入diyi个超限值的设置，三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁（***代表原来电存储器里储存的超限数值），然后，按压加数键（或减数键），屏幕上的Zdi位的数字就会加一（或减一），如果按住按键三秒以上不放开，屏幕上的前两位数字就会快速进行加数（或减数）。把屏幕上的数字调整到所需要的数字后，这个超限值就设置完成了。
接着，再按动一下设定键屏幕显示“2--”，表示现在进入第二个超限值的设置，三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁....,接下来的操作与diyi个超限值的操作完全一样。
第三个超限值的设置与上面两个完全一样。
当设置好3个超限值之后，还必须Z后按动一下设定键，退出设定状态而返回正常工作状态。如果忘记了这Z后一次按动退出的操作，程序就会等待10秒之后，自动返回正常工作状态。
简易调试方法:
可以使用100Ω的电阻来模拟PT100在0℃的阻值,接入传感器输入端，看看显示是否=000,如果不对,可以调整微调电位器来达到;然后用一只281Ω的电阻来模拟PT100在500℃时传感器的电阻值,显示应该在500字±1字；Z后，使用一只194Ω的电阻来代替250℃传感器电阻输入,应该显示250±1字.如果经过上面调试没有问题,就可以接入真正的PT100传感器投入使用了.（真正的传感器也有误差，可以微调一下前置放大的电位器来校正它。）
在实际工作中，要求电路的供电电压为5V±5%.如果测量显示值大于某一个超限值，对应的控制端口就会立即输出高电平。
如果传感器发生开路故障,显示就会出现"HHH",如果传感器及其引线发生了短路,显示就会立即出现"LLL".为了防止传感器出现开路或者短路之后可能会引起的不良后果，这时候，3个控制输出端口都会优先关闭。
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