基于PT100的溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

(南通理工學(xué)院 電氣與能源工程學(xué)院, 江蘇 南通 226002)

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它可以通過物體隨溫度變化的某些特性(如電阻、電壓變化等特性)來間接測(cè)量，通過研究發(fā)現(xiàn)金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的穩(wěn)定性，利用鉑的這種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器[1]。金屬鉑電阻溫度傳感器精度高、穩(wěn)定性好，在工業(yè)測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用。

1 PT100測(cè)溫工作原理

通常所說的PT100是指鉑電阻溫度傳感器在0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值為100 Ω，電阻變化率為0.385 1 Ω/ ℃，PT100的分度表如表1所示。

根據(jù)電阻值和攝氏溫度的具體關(guān)系，可以推算出變化電阻對(duì)應(yīng)的溫度值。由于PT100是中低溫區(qū)(-200～650 ℃)最常用的一種溫度傳感器，故環(huán)境溫度下具體的電阻取值關(guān)系為。

RPT=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3]

(1)

式(1)中R0為攝氏溫度在0 ℃時(shí)金屬鉑電阻溫度傳感器對(duì)應(yīng)的阻值，T為實(shí)時(shí)環(huán)境溫度值，ABC分別表示系數(shù)值A(chǔ)=3.908*10-3;B=-5.775*10-7;C=-4.183*10-12，RPT為實(shí)時(shí)環(huán)境溫度T對(duì)應(yīng)PT100的電阻值[2]。本文設(shè)計(jì)的溫度測(cè)控系統(tǒng)要求溫度范圍在(0 ℃～100 ℃)內(nèi)變化，故根據(jù)上式可以得出溫度和阻值的變化，如圖1所示。

通過MATLAB驗(yàn)證了鉑電阻溫度傳感器的阻值和環(huán)境溫度的變化呈線性關(guān)系，精度上也完全滿足PT100分度表中電阻變化率0.3851 Ω/ ℃。

2 溫度測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體功能框圖

該系統(tǒng)采用電橋?qū)T100傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采樣，采用LM741設(shè)計(jì)差分電路消除線路阻抗引起的測(cè)量偏差，采用ADC0808逐次逼近法消除溫控系統(tǒng)的非線性誤差，采用STC高性能單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后在四位數(shù)碼管(數(shù)碼管位選和段選的動(dòng)態(tài)掃描顯示，利用了發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留的功能)上實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)值和實(shí)現(xiàn)按鍵采用外部中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度上下限的設(shè)定功能[3]，最后通過單片機(jī)的IO引腳輸出低電平使PNP三極管工作在飽和狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制(吸合)，當(dāng)模擬溫度一直上升達(dá)到設(shè)定的上限值，則通過單片機(jī)的IO引腳輸出高電平使PNP三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制(斷開)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。具體系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

表1 PT100分度表

圖1 PT100阻值與溫度變化關(guān)系

圖2 溫度測(cè)控系統(tǒng)框圖

該溫度測(cè)控系統(tǒng)的主控處理器選用的是宏晶科技的STC89C51單片機(jī)，這款單片機(jī)是采用8051內(nèi)核的ISP在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80 MHz，片內(nèi)含4K Bytes的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，而且速度更快。STC89C51系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的兼容8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速/ 低功耗的新一代8051 單片機(jī)，全新的流水線/精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu),內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。

2.2 信號(hào)處理電路

系統(tǒng)采用三線PT100溫度傳感器作為溫度信號(hào)的采集器件，由于PT100鉑電阻傳感器的阻值是根據(jù)環(huán)境溫度的變化而變化，所以要想獲得溫度數(shù)據(jù)，就首先要獲取電阻值，然后將它轉(zhuǎn)成電信號(hào)進(jìn)行輸出。那么，如何獲取到電信號(hào)的數(shù)值呢？我們?cè)O(shè)計(jì)了電橋，電橋是一種用電位比較法進(jìn)行測(cè)量的儀器，被廣泛用來精確測(cè)量許多電學(xué)量和非電量。在自動(dòng)控制測(cè)量中也是常用的儀器之一。根據(jù)PT100分度表可知環(huán)境溫度在0 ℃時(shí)，PT100電阻值為100 Ω，故在Proteus仿真軟件中選擇200 Ω的RV1模擬三線PT100鉑電阻溫度傳感器，RV2是一個(gè)校準(zhǔn)電位器[4-6]。初始情況下調(diào)整RV1使RV1的阻值調(diào)整為100 Ω(即溫度數(shù)值顯示0 ℃)，通過調(diào)整RV2使VA和VB兩點(diǎn)的電位相等，即使電橋達(dá)到平衡狀況。信號(hào)處理電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理電路

隨著環(huán)境溫度上升，根據(jù)PT100的定義可知鉑電阻的阻值上升，則電橋失去平衡(VB的電位上升，因?yàn)閂A的電位是環(huán)境溫度在0 ℃時(shí)，PT100電阻值為100 Ω的基準(zhǔn)電壓，則VB和VA形成電位差)。利用這一特點(diǎn)可以采用差分放大電路實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的運(yùn)算放大作用，差分電路的電壓增益公式為。

(2)

由于當(dāng)RV1取值為138.51 Ω時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)100 ℃。經(jīng)過計(jì)算，差分電路中的反饋電阻R5取值為33 KΩ，同時(shí)輸出電壓VO為5.018 V。由于差分運(yùn)算放大電路所使用的器件是LM741集成芯片，該芯片供電電源為+12 V和-12 V，則正飽和電壓和負(fù)飽和電壓分別為+12 V和-12 V，所以當(dāng)RV1取值超出了138.51 Ω時(shí)(即PT100溫度傳感器隨著環(huán)境溫度的上升，鉑電阻的繼續(xù)上升)，差分電路還工作在線性放大區(qū)，將繼續(xù)輸出高于5 V的電壓值，直至飽和電壓12 V。為了使差分電路輸出端輸出的電壓值最大值為5 V，采用了二極管VD2和VD3構(gòu)成限幅電路[7-9]，當(dāng)RV1取值為100～138.51 Ω時(shí)，輸出的電壓值(0～5 V),供后續(xù)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為輸入信號(hào)。

2.3 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

ADC0808 是含8 位A/D 轉(zhuǎn)換器、8 路多路開關(guān)，以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。ADC0808的精度為 1/2LSB。在AD 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶模擬開關(guān)樹組的256 電阻分壓器，以及一個(gè)逐次通近型寄存器。8 路的模擬開關(guān)的通斷由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8 個(gè)通道中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào)。該系統(tǒng)采用ADC0808用于將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，它也是模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的接口部件。ADC轉(zhuǎn)換類型包括計(jì)數(shù)型AD轉(zhuǎn)換器、雙積分型AD轉(zhuǎn)換器、逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)采用逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器，它工作原理類似天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體。ADC0808是一個(gè)八位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，故它的分辨率Δ表達(dá)式為:

(3)

ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作的具體過程為：首先通過三根地址線ADDA-ADDC連接STC單片機(jī)的P1.4～P1.6，它決定輸入的通道。該系統(tǒng)前級(jí)已經(jīng)通信號(hào)處理得到輸出電壓OUT，直接通過ADC0808的IN3輸入，因?yàn)楫?dāng)STC單片機(jī)P1.6～P1.4輸出二進(jìn)制數(shù)100B給ADDC-ADDA對(duì)應(yīng)的地址時(shí)，則表示從IN3通道輸入模擬量。其次，通過單片機(jī)P1.2引腳先后輸出0-1-0給鎖存和啟動(dòng)信號(hào)ALE/START，則表示開始啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換[10-12]。再次，通過P1.1引腳輸出低電平給EOC，則表示判斷轉(zhuǎn)換是否已經(jīng)結(jié)束。最后通過單片機(jī)P1.0引腳輸出高電平給OE，則表示允許輸出數(shù)字量給單片機(jī)的P2口。ADC0808和STC89C51系統(tǒng)連接圖、ADC0808工作時(shí)序圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 ADC0808和STC89C51系統(tǒng)連接圖

圖5 ADC0808工作時(shí)序圖

2.4 繼電器電路

繼電器是一種功率開關(guān)器件，它不但能夠?qū)崿F(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的功能，同時(shí)還能夠具有隔離的作用。圖6中的二極管D1是為了防止自感高電壓對(duì)電路的損壞，起保護(hù)作用。由于單片機(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)能力有限，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用PNP型大功率晶體管控制電路。具體工作原理：當(dāng)單片機(jī)P1.7輸出高電平時(shí)，發(fā)射極和集電極均截止，PNP三極管相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)單片機(jī)P1.7輸出低電平時(shí)，發(fā)射極和集電極均飽和，PNP三極管相當(dāng)于開關(guān)閉合，則繼電器線圈通電吸合，被控對(duì)象斷電停止工作[13-15]。該系統(tǒng)的被控對(duì)象在Proteus仿真軟件中用12 V蓄電池和燈泡進(jìn)行模擬仿真，以達(dá)到實(shí)物真實(shí)效果。繼電器電路仿真效果如圖6所示。

圖6 繼電器電路仿真效果

2.5 系統(tǒng)功能鍵及顯示電路

該系統(tǒng)具有超出上限溫度時(shí)斷開繼電器、低于下限溫度時(shí)自動(dòng)吸合繼電器功能。故設(shè)定了四個(gè)功能鍵，圖中的KEY1、KEY2主要是對(duì)環(huán)境溫度的上限和下限進(jìn)行設(shè)定，初始在程序設(shè)定上限溫度90 ℃下限溫度30 ℃。當(dāng)用戶需要對(duì)設(shè)備溫度的上下限值進(jìn)行修改時(shí)，即可通過單片機(jī)的外部中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度上下限進(jìn)行+和-操作。KEY3主要是通過FLAG標(biāo)志位判斷中斷設(shè)定是否已經(jīng)結(jié)束，如果已結(jié)束則通過此鍵返回顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度。KEY4主要是功能切換鍵(設(shè)定上限溫度還是下限溫度的選擇功能)。

顯示電路主要是通過單片機(jī)的P0口輸出單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，通過P3口的部分引腳對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行位選，以達(dá)到數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示功能。根據(jù)PT100的電阻實(shí)時(shí)顯示設(shè)備當(dāng)前溫度數(shù)值，還可以根據(jù)功能鍵切換顯示設(shè)備設(shè)定的上限數(shù)值和下限數(shù)值。

3 溫度測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想：首先，通過對(duì)單片機(jī)的P1口和內(nèi)部定時(shí)器T0采用中斷技術(shù)產(chǎn)生CLK脈沖信號(hào)進(jìn)行初始化配置，保證ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠穩(wěn)定的輸出數(shù)字量。其次，ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出口與單片機(jī)的P2口對(duì)應(yīng)連接。單片機(jī)從P2口獲取ADC0808轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進(jìn)行理論計(jì)算得到實(shí)時(shí)溫度數(shù)值，并通過數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。再次，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的上限和下限溫度數(shù)值與當(dāng)前環(huán)境溫度數(shù)值進(jìn)行比較，初始設(shè)定的設(shè)備上限溫度90 ℃下限溫度30 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過上限P1.7輸出低電平，低于下限P1.7輸出高電平[16]。如果用戶想調(diào)整設(shè)備溫度的上限和下限，可以通過外部中斷INT0和外部中斷INT1采用中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)遞增和遞減功能。KEY4按鍵為功能選擇鍵，可以切換上限還是下限，初始條件下默認(rèn)是上限數(shù)值。流程圖中的FLAG標(biāo)志位，主要是用來判斷是否有外部中斷產(chǎn)生，如果沒有FLAG為0繼續(xù)往下執(zhí)行顯示程序，否則轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷處理程序(因?yàn)橹袛嚯S時(shí)可能發(fā)生，為了能夠在流程圖體現(xiàn)出中斷過程，所以用了FLAG標(biāo)志位)。測(cè)溫控制系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 測(cè)溫控制系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)過程與分析

本系統(tǒng)是基于Proteus仿真軟件進(jìn)行在線構(gòu)建溫度測(cè)控系統(tǒng)，Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，也可稱之為電子虛擬實(shí)驗(yàn)室。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者們的青睞。正是由于這款仿真軟件在單片機(jī)開發(fā)中的優(yōu)勢(shì)，所以本系統(tǒng)的調(diào)試都是建立在它的虛擬平臺(tái)之上的。

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們首先通過調(diào)節(jié)電橋上RV1的數(shù)值(模擬真實(shí)的PT100隨外界工作環(huán)境溫度變化時(shí)所引起的電阻值的相應(yīng)變化)使電橋失去平衡，以此達(dá)到電信號(hào)的變化。最終在輸出端IO口外接的數(shù)碼管上顯示經(jīng)單片機(jī)處理后相應(yīng)的溫度數(shù)值(隨著電阻RV1變化模擬外界環(huán)境的溫度)。通過模擬設(shè)備設(shè)定溫度的上下限，當(dāng)模擬輸出的溫度低于設(shè)定溫度的下限，可以通過單片機(jī)的P1.7引腳輸出低電平使PNP三極管工作在飽和狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)繼電器進(jìn)行控制(吸合)，當(dāng)模擬溫度一直上升達(dá)到設(shè)定的上限值，則通過單片機(jī)的P1.7引腳輸出高電平使PNP三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而對(duì)繼電器進(jìn)行控制(斷開)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。經(jīng)過整體聯(lián)調(diào)，溫度測(cè)控系統(tǒng)達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)期的目的[17]。系統(tǒng)總體仿真效果圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)總體仿真效果圖

5 總結(jié)

本文結(jié)合目前工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度測(cè)控系統(tǒng)存在的主要問題，設(shè)計(jì)了基于PT100鉑金屬電阻作為傳感器的溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)電橋和LM741構(gòu)成的差分放大電路進(jìn)行理論分析與合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PT100鉑電阻傳感器的電信號(hào)進(jìn)行采樣。經(jīng)過對(duì)ADC0808采用逐次逼近法消除溫度測(cè)控系統(tǒng)的非線性誤差，提高了轉(zhuǎn)換精度的精準(zhǔn)性[18]。經(jīng)過STC高性能單片機(jī)的軟、硬件設(shè)計(jì)與多次調(diào)試，達(dá)到了溫度測(cè)控系統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)顯示要求和按鍵操控靈敏度高的預(yù)期目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)了利用繼電器對(duì)被控對(duì)象的通斷進(jìn)行控制。