温度传感器工作原理及其应用

使用温度传感器为 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.

前置放大部分原理图如下:

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 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：

单片机的 10 位 A/D 在满度量程下，最大显示为 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最大显示问题了。

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。） [p]

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

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--”，表示现在进入第一个超限值的设置，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)，屏幕上的最低位的数字就会加一(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....,接下来的操作与第一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，还必须最后按动一下设定键，退出设定状态而返回正常工作状态。如果忘记了这最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；最后，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。