基于PT100的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

宋歌 李穩(wěn)國 劉博文 魏永祥 韓淵媛 王瑤

摘 要：PT100鉑熱電阻是工業(yè)生產(chǎn)中常用的測溫元件，本文設(shè)計了一種以PT100為核心，MSP430F149為主控芯片，采用DC-DC溫控電路和橋式測溫電路的智能溫度控制系統(tǒng)。DC-DC溫控電路控制對空心陶瓷電阻進(jìn)行加熱；橋式測溫電路將溫度信號化為電壓信號，再經(jīng)差分放大后反饋給單片機(jī)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)際測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，0℃至80℃溫度可調(diào)，溫度測量精度在±0.2℃以內(nèi)，最長恒溫時間為3分鐘。

關(guān)鍵詞：PT100；MSP430；惠斯通電橋；DC-DC

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用和科學(xué)研究中是一個非常重要的參數(shù)[1]。在工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用或科學(xué)研究中，不可避免的要對一些控制對象進(jìn)行溫度監(jiān)控和控制，對溫度的實(shí)時監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)溫度控制的前提，也有利于對控制對象的及時檢查和保護(hù)。文獻(xiàn)[2]提出了一種高精度測溫系統(tǒng)設(shè)計，采用最小二乘法和PT100線型擬合。優(yōu)點(diǎn)是測溫精度高，但沒有對控制對象進(jìn)行溫度控制，亦無法保護(hù)控制對象。文獻(xiàn)[3]提出了一種溫度測控系統(tǒng)，對溫度控制簡單、方便，并能有效保持溫度，但溫度調(diào)節(jié)速度慢，測溫精度也仍需提高。

綜上所述，本文采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，設(shè)計了一種高精度測溫的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由DC-DC溫度控制電路和橋式測溫電路組成，以PT00為核心進(jìn)行高精度溫度測量，以MSP430F149單片機(jī)為主控模塊進(jìn)行溫度的控制，實(shí)現(xiàn)高精度溫度調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)采用PT100鉑熱電阻做溫度傳感器，利用DC-DC溫度控制模塊對大功率電阻加熱完成溫度的測量與控制。溫度采集電路以PT100為核心，通過惠斯通電橋完成溫度信號到電信號的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)運(yùn)放兩級放大，反饋給單片機(jī)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生PWM，控制DC-DC模塊中的開關(guān)管對空心瓷管加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。可以通過鍵盤控制模塊設(shè)定目標(biāo)溫度值，當(dāng)溫度值超過規(guī)定值時，系統(tǒng)通過蜂鳴器報警。為了實(shí)時顯示溫度值，采用MSP430F149單片機(jī)為監(jiān)控和運(yùn)算核心，并由液晶屏顯示。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

2 主電路設(shè)計思路

2.1 DC-DC溫度控制電路的設(shè)計

DC-DC溫度控制電路采用降壓變換電路，即BUCK電路。DC-DC電路中的開關(guān)管，由單片機(jī)產(chǎn)生一路PWM經(jīng)推挽放大后控制其導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)直流電壓源到直流電流源的轉(zhuǎn)換，輸出電流直接對空心陶瓷電阻進(jìn)行加熱。PWM驅(qū)動電路采用圖騰柱驅(qū)動電路，適合DC-DC電路對溫度的精準(zhǔn)控制。開關(guān)管選用IRF540，其最大擊穿電壓Vds=100V，最大漏極電流為Id=23A，導(dǎo)通阻值Rds=77mΩ，滿足設(shè)計要求。

2.2 橋式測溫測量電路的設(shè)計

PT100采用三線制接法，圖2中R1、R2、R3和R4分別為電橋的橋臂，當(dāng)R1×R3=R2×R4時，電橋平衡。電橋不平衡時a，b兩點(diǎn)存在電壓差，由電壓差值可以計算出PT100的阻值。為避免PT100自身發(fā)熱對測量的影響，通過PT100的電流不能超過2mA，因此a，b兩點(diǎn)電壓差很小，需經(jīng)過LM358構(gòu)成的兩級差分放大器后，由單片機(jī)12位ADC采集電壓信號。

鉑熱電阻的導(dǎo)線往往很長，由于PT100與導(dǎo)線電阻串聯(lián)，增大了電阻值，會使測量誤差非常大[4]。PT100三線制接法能有效消除導(dǎo)線誤差。圖2虛線部分，PT100導(dǎo)線電阻為r，橋臂電阻變?yōu)镽1，R2，R3+2r，Rt+2r，電橋平衡時：R2×（Rt+2r）=R1×（R3+2r），整理得：Rt=R1R3/R2+2R1r/R2-2r，當(dāng)R1=R2時，PT100導(dǎo)線的變化對測量結(jié)果沒有影響[2]。所以，橋臂電阻采用高精密數(shù)字電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行溫度采樣得到采樣溫度值adc_t并顯示在液晶屏上，再判斷是否有按鍵輸入，若是，則更新溫度預(yù)設(shè)值Set_t并顯示；若無，則將溫度預(yù)設(shè)值Set_t與采樣溫度值adc_t相減，并判斷相減值是否大于5℃，若是，則全功率加熱；若否，則判斷相減值是否等于0℃，若等，則停止加熱；若不等，則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證提出的溫度控制系統(tǒng)的正確性，在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺樣機(jī)，負(fù)載為20Ω/50W滑動變阻器，測試結(jié)果如下：

系統(tǒng)溫度采樣精度測試，設(shè)定溫度值與采樣溫度值相減得到誤差值，系統(tǒng)溫度測量相對偏差絕對值在±0.2℃內(nèi)。

系統(tǒng)恒溫測試，在預(yù)設(shè)溫度值與采樣溫度值誤差在±0.2℃，開始計時，溫度系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時間最長為3分鐘。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的基于PT100的溫度控制系統(tǒng)，采用三線制鉑熱電阻電橋測溫電路，很好的解決了PT100導(dǎo)線電阻帶來的誤差和PT100自身發(fā)熱產(chǎn)生誤差的問題；采用DC-DC電路實(shí)現(xiàn)了對溫度的穩(wěn)定控制。該系統(tǒng)0℃至80℃溫度可調(diào)，溫度測量精度在±0.2℃以內(nèi)，控制恒溫最長時間為3分鐘。

參考文獻(xiàn)

[1] 余兆明，李曉飛，陳春來.MPEG標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002.

[2] 嚴(yán)長城，應(yīng)貴平.基于PT100的鉑熱電阻的高精度測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)， 2015， 44（3）：71-74.

[3] 劉健，龐興龍.基于AT89S51的糧倉溫度測控系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2012， 34（5）： 143-146.

[4] 劉剛，陳樹新.基于STM32的鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表， 2014， （1）： 53-56.