溫度傳感器工作原理及其應用

使用溫度傳感器為 PT100,這是一種穩定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器,可以工作在 -200℃ 至 650℃ 的范圍.本電路選擇其工作在 -19℃ 至 500℃ 范圍.

整個電路分為兩部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機 A/D 轉換和顯示,控制,軟件非線性校正等部分.

前置放大部分原理圖如下:

工作原理:

傳感器的接入非常簡單,從系統的 5V 供電端僅僅通過一支 3K92 的電阻就連接到 PT100 了.這種接法通常會引起嚴重的非線性問題,但是.由于有了單片機的軟件校正作為后盾,因此就簡化了傳感器的接入方式.

按照 PT100 的參數,其在 0℃ 到 500℃ 的區間內,電阻值為 100 至 280.9Ω，我們按照其串聯分壓的揭發，使用公式：Vcc/(PT100+3K92）* PT100 = 輸出電壓（mV），可以計算出其在整百℃時的輸出電壓，見下面的表格：

單片機的 10 位 A/D 在滿度量程下，最大顯示為 1023 字，為了得到 PT100 傳感器輸出電壓在顯示 500 字時的單片機 A/D 轉換輸入電壓，必須對傳感器的原始輸出電壓進行放大，計算公式為：(500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓( mV/℃ ) ，（Vcc＝系統供電＝5V），可以得到放大倍數為 10.466 。

關于放大倍數的說明：有熱心的用戶朋友詢問，按照 (500/1023 * Vcc)/傳感器兩端電壓不能得到 10.466 的結果，而是得到 11.635的結果。實際上，500 個字的理想值是無法靠電路本身自然得到的，自然得到的數字僅僅為 450 個字，因此，公式中的 500℃ 在實際計算時的取值是 450 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47 。其實，計算的方法有多種，關鍵是要按照傳感器的 mV/℃ 為依據而不是以被測溫度值為依據，我們看看加上非線性校正系數：10.47*1.1117=11.639499 ，這樣，熱心朋友的計算結果就吻合了。

運算放大器分為兩級，后級固定放大 5 倍（原理圖中 12K/3K+1=5），前級放大為：10.465922/5=2.0931844 倍,為了防止調整時的元器件及其他偏差，使用了一只精密微調電位器對放大倍數進行細調，可以保證比較準確地調整到所需要的放大倍數(原理圖中 10K/(8K2+Rw)+1)。

通常，在溫度測量電路里，都會有一個“調零”和另一個“調滿度”電位器，以方便調整傳感器在“零度”及“滿度”時的正確顯示問題。本電路沒有采用兩只電位器是因為只要“零度”調整準確了，就可以保證整個工作范圍的正確顯示，當然也包括滿度時的最大顯示問題了。

那么，電路中對“零度”是如何處理的呢？它是由單片機程序中把這個“零度”數字直接減掉就是了，在整個工作范圍內，程序都會自動減掉“零度”值之后再作為有效數值來使用。

當供電電壓發生偏差后，是否會引起傳感器輸入的變化進而影響準確度呢？供電變化后，必然引起流過傳感器的電流發生變化，也就會使傳感器輸出電壓發生變化。可是，以此同時，單片機的供電也是在同步地接受到這種供電變化的，當單片機的 A/D 基準使用供電電壓時，就意味著測量基準也在同步同方向發生變化，因此，只要參數選擇得當，系統供電的變化在 20% 之內時，就不會影響測量的準確度。(通常單片機系統并不允許供電有過大的變化，這不僅僅是在溫度測量電路中的要求。）