Funktionsprinzip und Anwendung des PT100-Temperaturfühler
Zum Einsatz kommt der Temperatursensor PT100, ein Platindraht-Thermo widerstands sensor mit guter Stabilität und Linearität. Kann im Bereich von -200℃ bis 650℃ betrieben werden. Diese Design schaltung ist für den Betrieb im Bereich von -19℃ bis 500℃ ausgewählt.
Die gesamte Schaltung ist in zwei Teile unterteilt: Der eine ist die Sensor vorverstärker schaltung, der andere ist die A/D-Umwandlung und Anzeige des Mikrocontrollers, die Steuerung, die nichtlineare Softwarekorrektur und andere Teile.
Das schematische Diagramm des Vorverstärker teils sieht wie folgt aus:
Arbeitsprinzip:
Der Anschluss des Sensors ist sehr einfach: Der 5V-Versorgungsanschluss des Systems wird lediglich über einen 3K92-Widerstand mit dem PT100 verbunden. Dieser Zusammenhang verursacht jedoch in der Regel schwerwiegende nichtlineare Probleme. Mit der Softwarekorrektur des Mikrocontrollers als Hintergrund wird die Sensorzugriffsmethode vereinfacht.
Gemäß den Parametern von PT100 beträgt sein Widerstandswert 100 bis 280,9 Ω im Bereich von 0℃ bis 500℃. Gemäß der Offenbarung seiner Reihen spannungsteilung können wir die Formel Vcc/(PT100+3K92) * PT100 = Ausgangsspannung (mV) verwenden, um seine Ausgangsspannung bei 100 °C zu berechnen, siehe Tabelle unten:
Der 10-Bit-A/D des Mikrocontrollers bietet bei Vollaussteuerung eine maximale Anzeige von 1023 Wörtern. Um die A/D-Umwandlungs eingangsspannung des Mikrocontrollers zu erhalten, wenn die Ausgangsspannung des PT100-Sensors 500 Wörter anzeigt, muss die ursprüngliche Ausgangsspannung des Sensors verstärkt werden. Die Berechnungsformel lautet: (500/1023 * Vcc)/Spannung am Sensor (mV/℃), (Vcc = Systemstromversorgung = 5 V), und der Verstärkungsfaktor kann als 10,466 ermittelt werden.
Bezüglich des Verstärkungsfaktors: Ein begeisterter Benutzerfreund fragte: Laut (500/1023 * Vcc)/Spannung am Sensor kann das Ergebnis nicht als 10,466 erhalten werden, sondern das Ergebnis ist 11,635. Tatsächlich kann der ideale Wert von 500 Wörtern nicht auf natürliche Weise aus der Schaltung selbst ermittelt werden. Die natürlich abgeleitete Zahl beträgt nur 450 Wörter. Daher beträgt der Wert von 500℃ in der Formel in der tatsächlichen Berechnung 450 statt 500,450/1023*5/(0,33442-0,12438)≈10,47. Tatsächlich gibt es viele Möglichkeiten, es zu berechnen. Der Schlüssel liegt darin, die mV/℃ des Sensors und nicht den gemessenen Temperaturwert zugrunde zu legen. Schauen wir uns die Addition des nichtlinearen Korrekturkoeffizienten an: 10,47*1,1117=11,639499.
Der Operationsverstärker ist in zwei Stufen unterteilt. Die Verstärkung nach der Stufe ist auf das Fünffache festgelegt (12K/3K+1=5 im schematischen Diagramm), und die Verstärkung vor der Stufe beträgt: 10,465922/5=2,0931844. Um Bauteil- und andere Abweichungen bei der Einstellung zu verhindern, wird zur Fein abstimmung des Verstärkungsfaktors ein Präzisions-Fein abstimmung potentiometer verwendet, das eine genauere Anpassung an den erforderlichen Verstärkungsfaktor (10K/(8K2+Rw)+ in der) gewährleisten kann Prinzipskizze) 1).
Normalerweise gibt es im Temperaturmesskreis ein Potentiometer für die „Nulleinstellung“ und ein weiteres „Vollausschlag“-Potentiometer, um die Einstellung der korrekten Anzeige des Sensors bei „Null Grad“ und „Vollausschlag“ zu erleichtern. Diese Schaltung verwendet keine zwei Potentiometer, denn solange die „Null-Grad“-Einstellung genau ist, kann die korrekte Anzeige des gesamten Arbeitsbereichs garantiert werden, natürlich einschließlich des maximalen Anzeigeproblems bei Vollausschlag.
Wie wird also mit „Null Grad“ in der Schaltung umgegangen? Es subtrahiert einfach die Zahl „0 Grad“ direkt vom Mikrocontroller-Programm. Innerhalb des gesamten Arbeitsbereichs subtrahiert das Programm automatisch den Wert „Null Grad“, bevor es ihn als gültigen Wert verwendet.
Führt eine Abweichung der Versorgungsspannung zu Änderungen am Sensoreingang und beeinträchtigt die Genauigkeit? Nach einer Änderung der Stromversorgung ändert sich zwangsläufig der durch den Sensor fließende Strom, wodurch sich auch die Ausgangsspannung des Sensors ändert. Allerdings erhält gleichzeitig auch die Stromversorgung des Mikrocontrollers synchron diese Stromversorgungsänderung. Wenn die A/D-Referenz des Mikrocontrollers die Versorgungsspannung nutzt, bedeutet das, dass sich gleichzeitig auch die Messreferenz in die gleiche Richtung ändert. Daher haben Änderungen der Systemstromversorgung innerhalb von 20 % keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung, sofern die Parameter entsprechend ausgewählt werden. (Normalerweise lassen Mikrocontroller-Systeme keine übermäßigen Änderungen der Stromversorgung zu. Dies ist nicht nur bei Temperaturmess schaltungen eine Anforderung.)
Das schematische Diagramm der nachfolgenden Mikrocontroller-Schaltung sieht wie folgt aus:
Das von der Sensor vorverstärker schaltung ausgegebene Signal wird an den A/D-Umwandlungseingangsport (PB0/AN0) des HT46R23 gesendet, und der Mikrocontroller führt verschiedene notwendige Verarbeitungen durch. Der erste Schritt besteht darin, eine nichtlineare Softwarekorrektur durchzuführen, das Eingangssignal entsprechend unterschiedlicher Temperaturwerte in verschiedene Segmente aufzuteilen und sie dann entsprechend den Segmenten mit unterschiedlichen Kompensation koeffizienten zu multiplizieren, um sie nahe an die theoretischen Werte zu bringen. Die nichtlinear korrigierten Zahlen werden zur Anzeige, zum Vergleich mit den vom Benutzer eingestellten Kontrollwerten usw. gesendet.
Die nichtlinearen Kompensation koeffizienten jedes Segments sind in der folgenden Tabelle aufgeführt (es werden nur die Daten der Hauptsegmente aufgeführt, nicht der gesamte Tabelleninhalt):
Spannung erfassen
Ein weiteres Merkmal dieser Schaltung besteht darin, dass der Benutzer innerhalb des Arbeitsbereichs 3 Übergrenzkontrollwerte beliebig einstellen kann. Wenn der Messwertanzeige wert größer als der eingestellte Wert ist, gibt der entsprechende Steueranschluss einen hohen Pegel aus. Durch die Verwendung dieses Hochpegelsignals und die Verbindung eines externen Schaltkreises mit einem Transistor der ersten Ebene zur Ansteuerung des Relais kann eine automatische Steuerung erreicht werden. Wenn ein bestimmter Steueranschluss einen hohen Pegel ausgibt, leuchtet gleichzeitig die in Reihe geschaltete LED-Leuchtröhre auf, um den Benutzer daran zu erinnern, welcher eingestellte Wert das Steuersignal ausgibt.
Der 24C02 im Stromkreis ist ein elektrischer Speicher, der die vom Benutzer eingestellten Steuerwerte zuverlässig speichern kann und die Daten auch bei Stromausfall nicht verloren gehen.
Es gibt auch 3 Schaltflächen im Schaltplan, nämlich die Bedientasten „Einstellen“, „Zahl addieren“ und „Zahl subtrahieren“, mit denen der Benutzer Grenzwert überschreitungen einstellen kann. So verwenden Sie es:
Drücken Sie die Einstelltaste einmal und auf dem Bildschirm wird „1--“ angezeigt, was darauf hinweist, dass jetzt die erste Einstellung für den Überschreitung grenzwert erfolgt. Nach drei Sekunden springt der Bildschirm automatisch zur Anzeige „***“ und blinkt (*** stellt den im ursprünglichen elektronischen Speicher gespeicherten Überschreitungswert dar). Drücken Sie dann die Addend-Taste (oder die Subtrahieren-Taste), und die niedrigste Zahl auf dem Bildschirm wird um eins erhöht (oder um eins subtrahiert). Wenn Sie die Taste länger als drei Sekunden gedrückt halten, ohne sie loszulassen, werden die ersten beiden Ziffern auf dem Bildschirm schnell addiert (oder subtrahiert). Nachdem die Zahl auf dem Bildschirm auf die erforderliche Zahl eingestellt wurde, wird der Übergrenzwert eingestellt.
Drücken Sie dann erneut die Einstelltaste und auf dem Bildschirm wird „2--“ angezeigt, was darauf hinweist, dass jetzt die zweite Einstellung für den Überschreitung grenzwert eingegeben wird. Nach drei Sekunden springt der Bildschirm automatisch auf die Anzeige „***“ und blinkt.... Der nächste Vorgang ist genau derselbe wie der erste Vorgang bei Überschreitung des Grenzwerts.
Die Einstellung des dritten Überschreitungswerts ist genau die gleiche wie bei den beiden oben genannten.
Nachdem Sie die drei Grenzwerte eingestellt haben, müssen Sie die Einstelltaste ein letztes Mal drücken, um den Einstellzustand zu verlassen und in den normalen Arbeitszustand zurückzukehren. Wenn Sie das letzte Drücken zum Beenden vergessen, wartet das Programm 10 Sekunden und kehrt automatisch in den normalen Arbeitsstatus zurück.
Einfache Debugging-Methode:
Mit einem 100-Ω-Widerstand kann der Widerstand des PT100 bei 0 °C simuliert werden. Schließen Sie den Sensoreingang an und prüfen Sie, ob =000 angezeigt wird. Wenn es falsch ist, können Sie das Trimmer potentiometer anpassen, um es zu erreichen. Verwenden Sie dann einen 281-Ω-Widerstand, um den Widerstandswert des PT100-Sensors bei 500 °C zu simulieren. Die Anzeige sollte innerhalb von 500 Zeichen ±1 Zeichen liegen. Schließlich sollte bei Verwendung eines 194-Ω-Widerstands anstelle des 250-°C-Sensor widerstand eingangs 250 ± 1 angezeigt werden. Wenn nach der obigen Fehlerbehebung keine Probleme auftreten, können Sie den echten PT100-Sensor anschließen und in Betrieb nehmen. (Echte Sensoren weisen auch Fehler auf, die durch Feinabstimmung des Vorverstärker potentiometers korrigiert werden können.)
Bei der tatsächlichen Arbeit muss die Versorgungsspannung der Schaltung 5 V ± 5 % betragen. Wenn der Messwertanzeige wert größer als ein bestimmter Übergrenzwert ist, gibt der entsprechende Steueranschluss sofort einen hohen Pegel aus.
Wenn der Sensor einen offenen Stromkreisfehler hat, erscheint HHH auf dem Display. Bei einem Kurzschluss des Sensors und seiner Leitungen erscheint sofort LLL auf dem Display. Um mögliche nachteilige Folgen durch einen offenen Stromkreis oder Kurzschluss im Sensor zu verhindern, werden zu diesem Zeitpunkt zunächst die drei Steuerausgang anschlüsse geschlossen.
Die gesamte Schaltung ist in zwei Teile unterteilt: Der eine ist die Sensor vorverstärker schaltung, der andere ist die A/D-Umwandlung und Anzeige des Mikrocontrollers, die Steuerung, die nichtlineare Softwarekorrektur und andere Teile.
Arbeitsprinzip:
Der Anschluss des Sensors ist sehr einfach: Der 5V-Versorgungsanschluss des Systems wird lediglich über einen 3K92-Widerstand mit dem PT100 verbunden. Dieser Zusammenhang verursacht jedoch in der Regel schwerwiegende nichtlineare Probleme. Mit der Softwarekorrektur des Mikrocontrollers als Hintergrund wird die Sensorzugriffsmethode vereinfacht.
Gemäß den Parametern von PT100 beträgt sein Widerstandswert 100 bis 280,9 Ω im Bereich von 0℃ bis 500℃. Gemäß der Offenbarung seiner Reihen spannungsteilung können wir die Formel Vcc/(PT100+3K92) * PT100 = Ausgangsspannung (mV) verwenden, um seine Ausgangsspannung bei 100 °C zu berechnen, siehe Tabelle unten:
|
Temperatur ℃ |
PT100-Widerstand Ω |
Spannung am Sensor 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 |
Der 10-Bit-A/D des Mikrocontrollers bietet bei Vollaussteuerung eine maximale Anzeige von 1023 Wörtern. Um die A/D-Umwandlungs eingangsspannung des Mikrocontrollers zu erhalten, wenn die Ausgangsspannung des PT100-Sensors 500 Wörter anzeigt, muss die ursprüngliche Ausgangsspannung des Sensors verstärkt werden. Die Berechnungsformel lautet: (500/1023 * Vcc)/Spannung am Sensor (mV/℃), (Vcc = Systemstromversorgung = 5 V), und der Verstärkungsfaktor kann als 10,466 ermittelt werden.
Bezüglich des Verstärkungsfaktors: Ein begeisterter Benutzerfreund fragte: Laut (500/1023 * Vcc)/Spannung am Sensor kann das Ergebnis nicht als 10,466 erhalten werden, sondern das Ergebnis ist 11,635. Tatsächlich kann der ideale Wert von 500 Wörtern nicht auf natürliche Weise aus der Schaltung selbst ermittelt werden. Die natürlich abgeleitete Zahl beträgt nur 450 Wörter. Daher beträgt der Wert von 500℃ in der Formel in der tatsächlichen Berechnung 450 statt 500,450/1023*5/(0,33442-0,12438)≈10,47. Tatsächlich gibt es viele Möglichkeiten, es zu berechnen. Der Schlüssel liegt darin, die mV/℃ des Sensors und nicht den gemessenen Temperaturwert zugrunde zu legen. Schauen wir uns die Addition des nichtlinearen Korrekturkoeffizienten an: 10,47*1,1117=11,639499.
Der Operationsverstärker ist in zwei Stufen unterteilt. Die Verstärkung nach der Stufe ist auf das Fünffache festgelegt (12K/3K+1=5 im schematischen Diagramm), und die Verstärkung vor der Stufe beträgt: 10,465922/5=2,0931844. Um Bauteil- und andere Abweichungen bei der Einstellung zu verhindern, wird zur Fein abstimmung des Verstärkungsfaktors ein Präzisions-Fein abstimmung potentiometer verwendet, das eine genauere Anpassung an den erforderlichen Verstärkungsfaktor (10K/(8K2+Rw)+ in der) gewährleisten kann Prinzipskizze) 1).
Normalerweise gibt es im Temperaturmesskreis ein Potentiometer für die „Nulleinstellung“ und ein weiteres „Vollausschlag“-Potentiometer, um die Einstellung der korrekten Anzeige des Sensors bei „Null Grad“ und „Vollausschlag“ zu erleichtern. Diese Schaltung verwendet keine zwei Potentiometer, denn solange die „Null-Grad“-Einstellung genau ist, kann die korrekte Anzeige des gesamten Arbeitsbereichs garantiert werden, natürlich einschließlich des maximalen Anzeigeproblems bei Vollausschlag.
Wie wird also mit „Null Grad“ in der Schaltung umgegangen? Es subtrahiert einfach die Zahl „0 Grad“ direkt vom Mikrocontroller-Programm. Innerhalb des gesamten Arbeitsbereichs subtrahiert das Programm automatisch den Wert „Null Grad“, bevor es ihn als gültigen Wert verwendet.
Führt eine Abweichung der Versorgungsspannung zu Änderungen am Sensoreingang und beeinträchtigt die Genauigkeit? Nach einer Änderung der Stromversorgung ändert sich zwangsläufig der durch den Sensor fließende Strom, wodurch sich auch die Ausgangsspannung des Sensors ändert. Allerdings erhält gleichzeitig auch die Stromversorgung des Mikrocontrollers synchron diese Stromversorgungsänderung. Wenn die A/D-Referenz des Mikrocontrollers die Versorgungsspannung nutzt, bedeutet das, dass sich gleichzeitig auch die Messreferenz in die gleiche Richtung ändert. Daher haben Änderungen der Systemstromversorgung innerhalb von 20 % keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung, sofern die Parameter entsprechend ausgewählt werden. (Normalerweise lassen Mikrocontroller-Systeme keine übermäßigen Änderungen der Stromversorgung zu. Dies ist nicht nur bei Temperaturmess schaltungen eine Anforderung.)
Das schematische Diagramm der nachfolgenden Mikrocontroller-Schaltung sieht wie folgt aus:
| Spannung erfassen | mV/℃ | Interne AD-Lesung | Korrektur koeffizient |
| 124.3781 | Netzteil widerstand = 3K92 ± 1 %, Netzteil spannung = 5.000 V ± 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 |
Das von der Sensor vorverstärker schaltung ausgegebene Signal wird an den A/D-Umwandlungseingangsport (PB0/AN0) des HT46R23 gesendet, und der Mikrocontroller führt verschiedene notwendige Verarbeitungen durch. Der erste Schritt besteht darin, eine nichtlineare Softwarekorrektur durchzuführen, das Eingangssignal entsprechend unterschiedlicher Temperaturwerte in verschiedene Segmente aufzuteilen und sie dann entsprechend den Segmenten mit unterschiedlichen Kompensation koeffizienten zu multiplizieren, um sie nahe an die theoretischen Werte zu bringen. Die nichtlinear korrigierten Zahlen werden zur Anzeige, zum Vergleich mit den vom Benutzer eingestellten Kontrollwerten usw. gesendet.
Die nichtlinearen Kompensation koeffizienten jedes Segments sind in der folgenden Tabelle aufgeführt (es werden nur die Daten der Hauptsegmente aufgeführt, nicht der gesamte Tabelleninhalt):
Spannung erfassen
Ein weiteres Merkmal dieser Schaltung besteht darin, dass der Benutzer innerhalb des Arbeitsbereichs 3 Übergrenzkontrollwerte beliebig einstellen kann. Wenn der Messwertanzeige wert größer als der eingestellte Wert ist, gibt der entsprechende Steueranschluss einen hohen Pegel aus. Durch die Verwendung dieses Hochpegelsignals und die Verbindung eines externen Schaltkreises mit einem Transistor der ersten Ebene zur Ansteuerung des Relais kann eine automatische Steuerung erreicht werden. Wenn ein bestimmter Steueranschluss einen hohen Pegel ausgibt, leuchtet gleichzeitig die in Reihe geschaltete LED-Leuchtröhre auf, um den Benutzer daran zu erinnern, welcher eingestellte Wert das Steuersignal ausgibt.
Der 24C02 im Stromkreis ist ein elektrischer Speicher, der die vom Benutzer eingestellten Steuerwerte zuverlässig speichern kann und die Daten auch bei Stromausfall nicht verloren gehen.
Es gibt auch 3 Schaltflächen im Schaltplan, nämlich die Bedientasten „Einstellen“, „Zahl addieren“ und „Zahl subtrahieren“, mit denen der Benutzer Grenzwert überschreitungen einstellen kann. So verwenden Sie es:
Drücken Sie die Einstelltaste einmal und auf dem Bildschirm wird „1--“ angezeigt, was darauf hinweist, dass jetzt die erste Einstellung für den Überschreitung grenzwert erfolgt. Nach drei Sekunden springt der Bildschirm automatisch zur Anzeige „***“ und blinkt (*** stellt den im ursprünglichen elektronischen Speicher gespeicherten Überschreitungswert dar). Drücken Sie dann die Addend-Taste (oder die Subtrahieren-Taste), und die niedrigste Zahl auf dem Bildschirm wird um eins erhöht (oder um eins subtrahiert). Wenn Sie die Taste länger als drei Sekunden gedrückt halten, ohne sie loszulassen, werden die ersten beiden Ziffern auf dem Bildschirm schnell addiert (oder subtrahiert). Nachdem die Zahl auf dem Bildschirm auf die erforderliche Zahl eingestellt wurde, wird der Übergrenzwert eingestellt.
Drücken Sie dann erneut die Einstelltaste und auf dem Bildschirm wird „2--“ angezeigt, was darauf hinweist, dass jetzt die zweite Einstellung für den Überschreitung grenzwert eingegeben wird. Nach drei Sekunden springt der Bildschirm automatisch auf die Anzeige „***“ und blinkt.... Der nächste Vorgang ist genau derselbe wie der erste Vorgang bei Überschreitung des Grenzwerts.
Die Einstellung des dritten Überschreitungswerts ist genau die gleiche wie bei den beiden oben genannten.
Nachdem Sie die drei Grenzwerte eingestellt haben, müssen Sie die Einstelltaste ein letztes Mal drücken, um den Einstellzustand zu verlassen und in den normalen Arbeitszustand zurückzukehren. Wenn Sie das letzte Drücken zum Beenden vergessen, wartet das Programm 10 Sekunden und kehrt automatisch in den normalen Arbeitsstatus zurück.
Einfache Debugging-Methode:
Mit einem 100-Ω-Widerstand kann der Widerstand des PT100 bei 0 °C simuliert werden. Schließen Sie den Sensoreingang an und prüfen Sie, ob =000 angezeigt wird. Wenn es falsch ist, können Sie das Trimmer potentiometer anpassen, um es zu erreichen. Verwenden Sie dann einen 281-Ω-Widerstand, um den Widerstandswert des PT100-Sensors bei 500 °C zu simulieren. Die Anzeige sollte innerhalb von 500 Zeichen ±1 Zeichen liegen. Schließlich sollte bei Verwendung eines 194-Ω-Widerstands anstelle des 250-°C-Sensor widerstand eingangs 250 ± 1 angezeigt werden. Wenn nach der obigen Fehlerbehebung keine Probleme auftreten, können Sie den echten PT100-Sensor anschließen und in Betrieb nehmen. (Echte Sensoren weisen auch Fehler auf, die durch Feinabstimmung des Vorverstärker potentiometers korrigiert werden können.)
Bei der tatsächlichen Arbeit muss die Versorgungsspannung der Schaltung 5 V ± 5 % betragen. Wenn der Messwertanzeige wert größer als ein bestimmter Übergrenzwert ist, gibt der entsprechende Steueranschluss sofort einen hohen Pegel aus.
Wenn der Sensor einen offenen Stromkreisfehler hat, erscheint HHH auf dem Display. Bei einem Kurzschluss des Sensors und seiner Leitungen erscheint sofort LLL auf dem Display. Um mögliche nachteilige Folgen durch einen offenen Stromkreis oder Kurzschluss im Sensor zu verhindern, werden zu diesem Zeitpunkt zunächst die drei Steuerausgang anschlüsse geschlossen.
