Principio de Funcionamiento y Aplicación del Sensor de Temperatura PT100
Se utiliza el sensor de temperatura PT100, que es un sensor de resistencia térmica de alambre de platino con buena estabilidad y linealidad. Puede funcionar en el rango de -200 ℃ a 650 ℃. Este circuito de diseño está seleccionado para funcionar en el rango de -19 ℃ a 500 ℃.
Todo el circuito se divide en dos partes: una es el circuito del preamplificador del sensor; la otra es la conversión y visualización A/D del microcontrolador, el control, la corrección no lineal del software y otras partes.
El diagrama esquemático de la parte del preamplificador es el siguiente:
principio de funcionamiento:
La conexión del sensor es muy sencilla, el terminal de alimentación de 5V del sistema sólo se conecta al PT100 a través de una resistencia de 3K92. Sin embargo, esta conexión suele provocar graves problemas no lineales. Con la corrección del software del microcontrolador como respaldo, se simplifica el método de acceso al sensor.
Según los parámetros del PT100, su valor de resistencia es de 100 a 280,9 Ω en el rango de 0 ℃ a 500 ℃. Según la revelación de su división de voltaje en serie, podemos usar la fórmula: Vcc/(PT100+3K92) * PT100 = voltaje de salida (mV) para calcular su voltaje de salida a 100°C, consulte la siguiente tabla:
El A/D de 10 bits del microcontrolador tiene una visualización máxima de 1023 palabras a escala completa. Para obtener el voltaje de entrada de conversión A/D del microcontrolador cuando el voltaje de salida del sensor PT100 muestra 500 palabras, se debe amplificar el voltaje de salida original del sensor. La fórmula de cálculo es: (500/1023 * Vcc)/voltaje a través del sensor (mV/℃), (Vcc = fuente de alimentación del sistema = 5 V), y el factor de amplificación se puede obtener como 10,466.
Con respecto al factor de amplificación: un amigo usuario entusiasta preguntó, según (500/1023 * Vcc)/voltaje a través del sensor, el resultado no se puede obtener como 10,466, pero el resultado es 11,635. De hecho, el valor ideal de 500 palabras no se puede obtener de forma natural del propio circuito. El número derivado naturalmente es de sólo 450 palabras. Por lo tanto, el valor de 500 ℃ en la fórmula en el cálculo real es 450 en lugar de 500,450/1023*5/(0,33442-0,12438)≈10,47. De hecho, hay muchas formas de calcularlo. La clave es basarlo en los mV/℃ del sensor en lugar del valor de temperatura medido. Veamos cómo sumar el coeficiente de corrección no lineal: 10,47*1,1117=11,639499.
El amplificador operacional se divide en dos etapas. La amplificación posterior a la etapa se fija en 5 veces (12K/3K+1=5 en el diagrama esquemático) y la amplificación previa a la etapa es: 10,465922/5=2,0931844 veces. Para evitar componentes y otras desviaciones durante el ajuste, se utiliza un potenciómetro de ajuste fino para ajustar el factor de amplificación, lo que puede garantizar un ajuste más preciso al factor de amplificación requerido (10K/(8K2+Rw)+ en el diagrama esquemático) 1).
Habitualmente, en el circuito de medida de temperatura existirá un potenciómetro de “ajuste a cero” y otro de “fondo de escala” para facilitar el ajuste de la correcta visualización del sensor en “grado cero” y “fondo de escala”. Este circuito no utiliza dos potenciómetros porque siempre que el ajuste de "grado cero" sea preciso, se puede garantizar la visualización correcta de todo el rango de trabajo, incluido por supuesto el problema de visualización máxima a escala completa.
Entonces, ¿cómo se maneja el "grado cero" en el circuito? Simplemente resta el número de "0 grados" directamente del programa del microcontrolador. Dentro de todo el rango de trabajo, el programa restará automáticamente el valor de "grado cero" antes de usarlo como valor válido.
Cuando el voltaje de suministro se desvía, ¿provocará cambios en la entrada del sensor y afectará la precisión? Después de que cambia la fuente de alimentación, la corriente que fluye a través del sensor cambiará inevitablemente, lo que también hará que cambie el voltaje de salida del sensor. Sin embargo, al mismo tiempo, la fuente de alimentación del microcontrolador también recibe este cambio de fuente de alimentación de forma sincrónica. Cuando la referencia A/D del microcontrolador utiliza la tensión de alimentación, significa que la referencia de medición también cambia en la misma dirección simultáneamente. Por lo tanto, siempre que los parámetros se elijan apropiadamente, los cambios en el suministro de energía del sistema dentro del 20% no afectarán la precisión de la medición. (Por lo general, los sistemas de microcontroladores no permiten cambios excesivos en el suministro de energía. Esto no es solo un requisito en los circuitos de medición de temperatura).
El diagrama esquemático del circuito del microcontrolador posterior es el siguiente:
La salida de señal del circuito del preamplificador del sensor se envía al puerto de entrada de conversión A/D (PB0/AN0) del HT46R23 y el microcontrolador realiza varios procesamientos necesarios. El primer paso es realizar la corrección no lineal del software, dividir la señal de entrada en diferentes segmentos según los diferentes valores de temperatura y luego multiplicarlos por diferentes coeficientes de compensación según los segmentos para acercarlos a los valores teóricos. Los números corregidos no linealmente se envían para su visualización, comparación con los valores de control establecidos por el usuario, etc.
Los coeficientes de compensación no lineal de cada segmento se muestran en la siguiente tabla (solo se enumeran los datos de los segmentos principales, no todo el contenido de la tabla):
Voltaje de detección
Otra característica de este circuito es que el usuario puede establecer arbitrariamente 3 valores de control de exceso de límite dentro del rango de trabajo. Cuando el valor de visualización de la medición es mayor que el valor establecido, el puerto de control correspondiente generará un nivel alto. Al utilizar esta señal de alto nivel y conectar un circuito externo con un transistor de primer nivel para controlar el relé, se puede lograr el control automático. Cuando un determinado puerto de control genera un nivel alto, el tubo emisor de luz LED conectado en serie con él se iluminará al mismo tiempo para recordarle al usuario qué valor establecido está emitiendo la señal de control.
El 24C02 en el circuito es una memoria eléctrica que puede guardar de manera confiable los valores de control establecidos por el usuario, y los datos no se perderán incluso si se corta la energía.
También hay 3 botones en el diagrama del circuito, que son los botones de operación de "configuración", "sumar número" y "restar número", que el usuario utiliza para establecer valores por encima del límite. Cómo usarlo:
Presione el botón de configuración una vez y la pantalla mostrará "1--", indicando que ahora está ingresando la primera configuración de valor límite. Después de tres segundos, la pantalla salta automáticamente para mostrar "***" y parpadea (*** representa el valor por encima del límite almacenado en la memoria electrónica original). Luego, presione la tecla de sumar (o restar) y el número más bajo en la pantalla se incrementará en uno (o se restará en uno). Si mantiene presionado el botón durante más de tres segundos sin soltarlo, los primeros dos dígitos en la pantalla se sumarán (o restarán) rápidamente. Después de ajustar el número en la pantalla al número requerido, se establece el valor por encima del límite.
Luego, presione la tecla de configuración nuevamente y la pantalla mostrará "2--", indicando que ahora está ingresando a la segunda configuración de valor límite. Después de tres segundos, la pantalla salta automáticamente para mostrar "***" y parpadea.... La siguiente operación es exactamente la misma que la primera operación para exceder el valor límite.
La configuración del tercer valor de exceso de límite es exactamente la misma que la de los dos anteriores.
Después de configurar los tres valores de exceso de límite, debe presionar la tecla de configuración una última vez para salir del estado de configuración y volver al estado de funcionamiento normal. Si olvida la última pulsación para salir, el programa esperará 10 segundos y volverá automáticamente al estado de funcionamiento normal.
Método de depuración simple:
Se puede utilizar una resistencia de 100 Ω para simular la resistencia del PT100 a 0 °C. Conéctese a la entrada del sensor y vea si se muestra =000. Si está mal, puedes ajustar el potenciómetro de ajuste para lograrlo. Luego use una resistencia de 281 Ω para simular el valor de resistencia del sensor PT100 a 500 °C. La pantalla debe tener entre 500 caracteres ±1 carácter. Finalmente, usando una resistencia de 194Ω en lugar de la entrada de resistencia del sensor de 250°C, debería mostrar 250±1. Si no hay problemas después de la depuración anterior, puede conectar el sensor PT100 real y ponerlo en uso. (Los sensores reales también tienen errores, que pueden corregirse ajustando el potenciómetro del preamplificador).
En el trabajo real, se requiere que el voltaje de alimentación del circuito sea de 5 V ± 5 %. Si el valor de visualización de la medición es mayor que un cierto valor por encima del límite, el puerto de control correspondiente generará inmediatamente un nivel alto.
Si el sensor tiene una falla de circuito abierto, aparecerá HHH en la pantalla. Si el sensor y sus cables están en cortocircuito, LLL aparecerá inmediatamente en la pantalla. Para evitar posibles consecuencias adversas causadas por un circuito abierto o un cortocircuito en el sensor, en este momento, los tres puertos de salida de control se cerrarán primero.
Todo el circuito se divide en dos partes: una es el circuito del preamplificador del sensor; la otra es la conversión y visualización A/D del microcontrolador, el control, la corrección no lineal del software y otras partes.
principio de funcionamiento:
La conexión del sensor es muy sencilla, el terminal de alimentación de 5V del sistema sólo se conecta al PT100 a través de una resistencia de 3K92. Sin embargo, esta conexión suele provocar graves problemas no lineales. Con la corrección del software del microcontrolador como respaldo, se simplifica el método de acceso al sensor.
Según los parámetros del PT100, su valor de resistencia es de 100 a 280,9 Ω en el rango de 0 ℃ a 500 ℃. Según la revelación de su división de voltaje en serie, podemos usar la fórmula: Vcc/(PT100+3K92) * PT100 = voltaje de salida (mV) para calcular su voltaje de salida a 100°C, consulte la siguiente tabla:
|
Temperatura ℃ |
Resistencia PT100 Ω |
Voltaje a través de la detección 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 |
El A/D de 10 bits del microcontrolador tiene una visualización máxima de 1023 palabras a escala completa. Para obtener el voltaje de entrada de conversión A/D del microcontrolador cuando el voltaje de salida del sensor PT100 muestra 500 palabras, se debe amplificar el voltaje de salida original del sensor. La fórmula de cálculo es: (500/1023 * Vcc)/voltaje a través del sensor (mV/℃), (Vcc = fuente de alimentación del sistema = 5 V), y el factor de amplificación se puede obtener como 10,466.
Con respecto al factor de amplificación: un amigo usuario entusiasta preguntó, según (500/1023 * Vcc)/voltaje a través del sensor, el resultado no se puede obtener como 10,466, pero el resultado es 11,635. De hecho, el valor ideal de 500 palabras no se puede obtener de forma natural del propio circuito. El número derivado naturalmente es de sólo 450 palabras. Por lo tanto, el valor de 500 ℃ en la fórmula en el cálculo real es 450 en lugar de 500,450/1023*5/(0,33442-0,12438)≈10,47. De hecho, hay muchas formas de calcularlo. La clave es basarlo en los mV/℃ del sensor en lugar del valor de temperatura medido. Veamos cómo sumar el coeficiente de corrección no lineal: 10,47*1,1117=11,639499.
El amplificador operacional se divide en dos etapas. La amplificación posterior a la etapa se fija en 5 veces (12K/3K+1=5 en el diagrama esquemático) y la amplificación previa a la etapa es: 10,465922/5=2,0931844 veces. Para evitar componentes y otras desviaciones durante el ajuste, se utiliza un potenciómetro de ajuste fino para ajustar el factor de amplificación, lo que puede garantizar un ajuste más preciso al factor de amplificación requerido (10K/(8K2+Rw)+ en el diagrama esquemático) 1).
Habitualmente, en el circuito de medida de temperatura existirá un potenciómetro de “ajuste a cero” y otro de “fondo de escala” para facilitar el ajuste de la correcta visualización del sensor en “grado cero” y “fondo de escala”. Este circuito no utiliza dos potenciómetros porque siempre que el ajuste de "grado cero" sea preciso, se puede garantizar la visualización correcta de todo el rango de trabajo, incluido por supuesto el problema de visualización máxima a escala completa.
Entonces, ¿cómo se maneja el "grado cero" en el circuito? Simplemente resta el número de "0 grados" directamente del programa del microcontrolador. Dentro de todo el rango de trabajo, el programa restará automáticamente el valor de "grado cero" antes de usarlo como valor válido.
Cuando el voltaje de suministro se desvía, ¿provocará cambios en la entrada del sensor y afectará la precisión? Después de que cambia la fuente de alimentación, la corriente que fluye a través del sensor cambiará inevitablemente, lo que también hará que cambie el voltaje de salida del sensor. Sin embargo, al mismo tiempo, la fuente de alimentación del microcontrolador también recibe este cambio de fuente de alimentación de forma sincrónica. Cuando la referencia A/D del microcontrolador utiliza la tensión de alimentación, significa que la referencia de medición también cambia en la misma dirección simultáneamente. Por lo tanto, siempre que los parámetros se elijan apropiadamente, los cambios en el suministro de energía del sistema dentro del 20% no afectarán la precisión de la medición. (Por lo general, los sistemas de microcontroladores no permiten cambios excesivos en el suministro de energía. Esto no es solo un requisito en los circuitos de medición de temperatura).
El diagrama esquemático del circuito del microcontrolador posterior es el siguiente:
| Voltaje de detección | mV/℃ | Lectura interna de anuncios | Coeficiente de corrección |
| 124.3781 | Resistencia de la fuente de alimentación=3K92±1%, voltaje de la fuente de alimentación=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 |
La salida de señal del circuito del preamplificador del sensor se envía al puerto de entrada de conversión A/D (PB0/AN0) del HT46R23 y el microcontrolador realiza varios procesamientos necesarios. El primer paso es realizar la corrección no lineal del software, dividir la señal de entrada en diferentes segmentos según los diferentes valores de temperatura y luego multiplicarlos por diferentes coeficientes de compensación según los segmentos para acercarlos a los valores teóricos. Los números corregidos no linealmente se envían para su visualización, comparación con los valores de control establecidos por el usuario, etc.
Los coeficientes de compensación no lineal de cada segmento se muestran en la siguiente tabla (solo se enumeran los datos de los segmentos principales, no todo el contenido de la tabla):
Voltaje de detección
Otra característica de este circuito es que el usuario puede establecer arbitrariamente 3 valores de control de exceso de límite dentro del rango de trabajo. Cuando el valor de visualización de la medición es mayor que el valor establecido, el puerto de control correspondiente generará un nivel alto. Al utilizar esta señal de alto nivel y conectar un circuito externo con un transistor de primer nivel para controlar el relé, se puede lograr el control automático. Cuando un determinado puerto de control genera un nivel alto, el tubo emisor de luz LED conectado en serie con él se iluminará al mismo tiempo para recordarle al usuario qué valor establecido está emitiendo la señal de control.
El 24C02 en el circuito es una memoria eléctrica que puede guardar de manera confiable los valores de control establecidos por el usuario, y los datos no se perderán incluso si se corta la energía.
También hay 3 botones en el diagrama del circuito, que son los botones de operación de "configuración", "sumar número" y "restar número", que el usuario utiliza para establecer valores por encima del límite. Cómo usarlo:
Presione el botón de configuración una vez y la pantalla mostrará "1--", indicando que ahora está ingresando la primera configuración de valor límite. Después de tres segundos, la pantalla salta automáticamente para mostrar "***" y parpadea (*** representa el valor por encima del límite almacenado en la memoria electrónica original). Luego, presione la tecla de sumar (o restar) y el número más bajo en la pantalla se incrementará en uno (o se restará en uno). Si mantiene presionado el botón durante más de tres segundos sin soltarlo, los primeros dos dígitos en la pantalla se sumarán (o restarán) rápidamente. Después de ajustar el número en la pantalla al número requerido, se establece el valor por encima del límite.
Luego, presione la tecla de configuración nuevamente y la pantalla mostrará "2--", indicando que ahora está ingresando a la segunda configuración de valor límite. Después de tres segundos, la pantalla salta automáticamente para mostrar "***" y parpadea.... La siguiente operación es exactamente la misma que la primera operación para exceder el valor límite.
La configuración del tercer valor de exceso de límite es exactamente la misma que la de los dos anteriores.
Después de configurar los tres valores de exceso de límite, debe presionar la tecla de configuración una última vez para salir del estado de configuración y volver al estado de funcionamiento normal. Si olvida la última pulsación para salir, el programa esperará 10 segundos y volverá automáticamente al estado de funcionamiento normal.
Método de depuración simple:
Se puede utilizar una resistencia de 100 Ω para simular la resistencia del PT100 a 0 °C. Conéctese a la entrada del sensor y vea si se muestra =000. Si está mal, puedes ajustar el potenciómetro de ajuste para lograrlo. Luego use una resistencia de 281 Ω para simular el valor de resistencia del sensor PT100 a 500 °C. La pantalla debe tener entre 500 caracteres ±1 carácter. Finalmente, usando una resistencia de 194Ω en lugar de la entrada de resistencia del sensor de 250°C, debería mostrar 250±1. Si no hay problemas después de la depuración anterior, puede conectar el sensor PT100 real y ponerlo en uso. (Los sensores reales también tienen errores, que pueden corregirse ajustando el potenciómetro del preamplificador).
En el trabajo real, se requiere que el voltaje de alimentación del circuito sea de 5 V ± 5 %. Si el valor de visualización de la medición es mayor que un cierto valor por encima del límite, el puerto de control correspondiente generará inmediatamente un nivel alto.
Si el sensor tiene una falla de circuito abierto, aparecerá HHH en la pantalla. Si el sensor y sus cables están en cortocircuito, LLL aparecerá inmediatamente en la pantalla. Para evitar posibles consecuencias adversas causadas por un circuito abierto o un cortocircuito en el sensor, en este momento, los tres puertos de salida de control se cerrarán primero.
