温度传感器是一种重要的物理量检测设备,广泛应用于各个领域,如工业生产、环境监控、家用电器等。本设计重点讨论的是PT100铂电阻温度传感器的设计,它以其高稳定性、良好的线性特性以及宽广的工作温度范围(-200℃至650℃)而受到青睐。本电路设计中,PT100被限制在-19℃至500℃的温度区间内工作。
电路设计主要包括两个部分:传感器前置放大电路和单片机A/D转换及显示、控制、软件非线性校正。前置放大电路通过简单的接法,即通过3K92电阻将PT100连接到系统5V电源,虽然这种接法可能导致非线性问题,但由于有单片机的软件校正功能,可以简化硬件设计。
在PT100的工作区间,其阻值会随温度变化,例如在0℃时为100.00Ω,500℃时为280.9Ω。利用串联分压原理,可以计算出不同温度下的输出电压。通过单片机的10位A/D转换器,最大显示值为1023,为了确保在500℃时显示500字,需要对原始输出电压进行放大。放大倍数计算公式为(500/1023 * Vcc)/传感器两端电压,其中Vcc为系统供电电压(5V)。实际计算时,由于500℃对应的实际A/D转换值为450,所以放大倍数约为10.47。电路采用了两级运算放大器,后级固定放大5倍,前级放大约为2.09倍,通过精密微调电位器进行细调,确保准确放大。
在温度测量电路中,通常需要“调零”和“调满度”电位器,但本设计中仅使用了一个“调零”电位器,因为一旦“零度”调整准确,整个工作范围内的显示都将正确,包括满度时的最大显示。单片机程序会自动减掉“零度”值,从而得到有效数值。
对于供电电压变化的影响,只要在一定范围内(如20%),由于单片机A/D基准与供电电压同步变化,测量准确度不会受到影响。信号经传感器前置放大电路输出后,进入HT46R23单片机的A/D转换端口,通过软件非线性校正,将输入信号根据不同的温度段乘以相应的补偿系数,以接近理论值。补偿系数表仅展示了部分数据,实际应用中需要覆盖整个温度范围。
本设计巧妙地结合了硬件和软件,通过合理选择放大倍数、精确的电位器调整和软件非线性校正,实现了PT100温度传感器的高效、准确测量。这样的设计方案不仅简化了硬件结构,还提高了系统的稳定性和精度。
1