基于PT100的溫度控制系統的設計與實現

宋歌 李穩國 劉博文 魏永祥 韓淵媛 王瑤

摘 要：PT100鉑熱電阻是工業生產中常用的測溫元件，本文設計了一種以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。DC-DC溫控電路控制對空心陶瓷電阻進行加熱；橋式測溫電路將溫度信號化為電壓信號，再經差分放大后反饋給單片機，進行PID調節。經實際測試，系統工作穩定可靠，0℃至80℃溫度可調，溫度測量精度在±0.2℃以內，最長恒溫時間為3分鐘。

關鍵詞：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，在工業生產、生活應用和科學研究中是一個非常重要的參數[1]。在工業生產、生活應用或科學研究中，不可避免的要對一些控制對象進行溫度監控和控制，對溫度的實時監控是實現溫度控制的前提，也有利于對控制對象的及時檢查和保護。文獻[2]提出了一種高精度測溫系統設計，采用最小二乘法和PT100線型擬合。優點是測溫精度高，但沒有對控制對象進行溫度控制，亦無法保護控制對象。文獻[3]提出了一種溫度測控系統，對溫度控制簡單、方便，并能有效保持溫度，但溫度調節速度慢，測溫精度也仍需提高。

綜上所述，本文采用脈沖寬度調制技術，設計了一種高精度測溫的溫度控制系統。該系統主要由DC-DC溫度控制電路和橋式測溫電路組成，以PT00為核心進行高精度溫度測量，以MSP430F149單片機為主控模塊進行溫度的控制，實現高精度溫度調節。

1 系統方案設計

系統采用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換，再經運放兩級放大，反饋給單片機進行溫度調節。溫度控制系統由單片機根據輸入與反饋信號的偏差進行PID調節，利用脈沖寬度調制技術產生PWM，控制DC-DC模塊中的開關管對空心瓷管加熱，實現溫度的控制。可以通過鍵盤控制模塊設定目標溫度值，當溫度值超過規定值時，系統通過蜂鳴器報警。為了實時顯示溫度值，采用MSP430F149單片機為監控和運算核心，并由液晶屏顯示。系統總體方框圖如圖1所示。

2 主電路設計思路

2.1 DC-DC溫度控制電路的設計

DC-DC溫度控制電路采用降壓變換電路，即BUCK電路。DC-DC電路中的開關管，由單片機產生一路PWM經推挽放大后控制其導通與截止，實現直流電壓源到直流電流源的轉換，輸出電流直接對空心陶瓷電阻進行加熱。PWM驅動電路采用圖騰柱驅動電路，適合DC-DC電路對溫度的精準控制。開關管選用IRF540，其最大擊穿電壓Vds=100V，最大漏極電流為Id=23A，導通阻值Rds=77mΩ，滿足設計要求。

2.2 橋式測溫測量電路的設計

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R1×R3=R2×R4時，電橋平衡。電橋不平衡時a，b兩點存在電壓差，由電壓差值可以計算出PT100的阻值。為避免PT100自身發熱對測量的影響，通過PT100的電流不能超過2mA，因此a，b兩點電壓差很小，需經過LM358構成的兩級差分放大器后，由單片機12位ADC采集電壓信號。

鉑熱電阻的導線往往很長，由于PT100與導線電阻串聯，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線誤差。圖2虛線部分，PT100導線電阻為r，橋臂電阻變為R1，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R1=R2時，PT100導線的變化對測量結果沒有影響[2]。所以，橋臂電阻采用高精密數字電阻。

3 系統軟件設計

系統上電后，首先進行系統初始化，然后進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，則更新溫度預設值Set_t并顯示；若無，則將溫度預設值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，則進行PID調節。

4 實驗結果與分析

為驗證提出的溫度控制系統的正確性，在實驗室制作了一臺樣機，負載為20Ω/50W滑動變阻器，測試結果如下：

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

系統恒溫測試，在預設溫度值與采樣溫度值誤差在±0.2℃，開始計時，溫度系統溫度穩定時間最長為3分鐘。

5 結論

本文設計的基于PT100的溫度控制系統，采用三線制鉑熱電阻電橋測溫電路，很好的解決了PT100導線電阻帶來的誤差和PT100自身發熱產生誤差的問題；采用DC-DC電路實現了對溫度的穩定控制。該系統0℃至80℃溫度可調，溫度測量精度在±0.2℃以內，控制恒溫最長時間為3分鐘。

參考文獻

[1] 余兆明，李曉飛，陳春來.MPEG標準及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2002.

[2] 嚴長城，應貴平.基于PT100的鉑熱電阻的高精度測溫系統的設計[J].機電工程技術， 2015， 44（3）：71-74.

[3] 劉健，龐興龍.基于AT89S51的糧倉溫度測控系統設計[J].制造業自動化，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設計[J].自動化與儀表， 2014， （1）： 53-56.