带有(yǒu)M5Stack和PT100的温度监控器

2021-04-29

带有(yǒu)M5Stack和PT100的温度监控器

PT100探头是铂電(diàn)阻温度计，在0°C的温度下的标称電(diàn)阻為(wèi)100Ω。其功能(néng)受IEC 751（EN 60751）标准的调节。这种类型的温度传感器称為(wèi)“電(diàn)阻温度检测器”（RTD）。我们将使用(yòng)M5Stack系统创建一个简单但有(yǒu)用(yòng)的温度监视器，该监视器允许在彩色显示器上可(kě)视化数据。

PT100電(diàn)阻温度计

PT100電(diàn)阻温度计已在实验室或工业应用(yòng)中用(yòng)于测量温度已有(yǒu)多(duō)年历史（见图1）。）。Pt100是最常见的型号，但市场上还提供了其他(tā)更复杂的型号，例如PT500和PT1000，它们更加坚固并且对電(diàn)干扰不敏感。它们还可(kě)以用(yòng)于更关键的工业应用(yòng)中。典型的模型以圆柱形状构建，并涂有(yǒu)护套。铂電(diàn)阻温度计允许在-200°C和850°C之间的环境中运行，响应和特性曲線(xiàn)几乎是線(xiàn)性的，持续时间实际上是无限的，并且具有(yǒu)非常高的精度。在本项目中，我们将使用(yòng)两線(xiàn)制PT100。对于−200°C至850°C的温度，该型号的電(diàn)阻范围為(wèi)20欧姆至400欧姆。带有(yǒu)三根和四根导線(xiàn)的PT100将具有(yǒu)不同且更复杂的電(diàn)路。

图1：PT100温度探头

M5堆栈

所述M5Stack适于发展的IoT的应用(yòng)（见开发套件图2）。它是开源的，并且与Arduino兼容。它可(kě)以用(yòng)来轻松创建各种应用(yòng)程序。它配备了TFT-LCD，可(kě)以以高分(fēn)辨率查看文(wén)本，图形和图像。四个侧面提供了连接到GPIO端口的连接器。其他(tā)信息可(kě)以在我们之前的一些文(wén)章中以及官方网站上找到。M5Stack可(kě)以使用(yòng)Arduino IDE进行编程，但是為(wèi)此，必须正确安装库和其他(tā)基本组件。

图2

如何测量温度

有(yǒu)几种使用(yòng)PT100探头计算温度的方法。IEC 751标准為(wèi)使用(yòng)PT100温度计的系统校准提供了精确的参考表，如图3所示。该表包含在-200°C和+809°C之间的温度下探头的所有(yǒu)電(diàn)阻值。例如，在+ 27°C的温度下，传感器的電(diàn)阻应為(wèi)110,509欧姆。一个系统解决方案可(kě)能(néng)是将该表的所有(yǒu)值存储在一个数组中，然后通过欧姆定律进行简单计算即可(kě)找到正确的温度值。显然，在程序源中插入1000多(duō)个值可(kě)能(néng)有(yǒu)点乏味和累人。

图3：符合IEC 751的PT100温度计的校准表 

因此，另一个好的解决方案是依靠一个数學(xué)方程式，该方程式描述设备的電(diàn)阻与检测到的温度之间的（相当線(xiàn)性）关系。一个很(hěn)好的方程式如图4所示。推导其他(tā)参数的逆计算相对容易。

图4：根据温度确定PTC電(diàn)阻的方程式之一

图5显示了PT100電(diàn)阻趋势与温度的关系图。该图是根据IEC 751标准规定的表构建的。

图5：PT100的電(diàn)阻和温度图

我们将在本文(wén)中讨论的项目涉及在一个简单的電(diàn)阻分(fēn)压器上的電(diàn)压检测，该電(diàn)阻分(fēn)压器由两个電(diàn)阻组成：一个在底部由PT100传感器代表，一个在顶部由一个精密電(diàn)阻代表。图6显示了原理(lǐ)图。温度变化会导致PT100的電(diàn)阻发生变化，从而导致PT100两端的電(diàn)压发生变化。该值将由系统ADC处理(lǐ)，然后由固件处理(lǐ)，以计算和显示相应的温度。

图6：从電(diàn)阻分(fēn)压器读取電(diàn)压的原理(lǐ)图

在分(fēn)压器中使用(yòng)100 Ohm電(diàn)阻更為(wèi)方便，因為(wèi)中心点的電(diàn)气偏移较高，因此電(diàn)阻值较高。通过一些SPICE指令，还可(kě)以使用(yòng)最重要的電(diàn)子软件来模拟PT100。例如，使用(yòng)LTspice程序，您可(kě)以插入以下SPICE指令：

.SUBCKT PT100 AB

.PARAM tc1 = 3.9083e-3

.PARAM tc2 = -5.775e-7

.PARAM tc3 = -4.183e-12

.PARAM R0 = 100

.PARAM Rrtd = R0 *（1 +（tc1 *温度）+（tc2 *温度** 2）+ tc3 *（温度100）*（温度** 3）*（1-u（温度）））

R1 AB {Rrtd}

.ENDS

您当然可(kě)以更改环境温度（例如26°C），其中还包括以下指令：

。温度26

项目分(fēn)析与目的

本文(wén)旨在创建一个介于-10°C和+ 60°C之间的简单温度测量系统，该系统的工作范围非常短（请参见图7中的对应表）。因此，我们可(kě)以為(wèi)这组值采用(yòng)一个适应的公式。

图7：-10°C至+ 60°C之间的電(diàn)阻与温度之间的对应表

对于此值范围，执行曲線(xiàn)拟合并计算两个不同的方程式非常简单：第一个是線(xiàn)性的，第二个是二次多(duō)项式，如图8的曲線(xiàn)所示，以及所选时间间隔内PT100的特性图。第一个方程的R ^ 2為(wèi)0.999992，而第二个方程的R ^ 2為(wèi)1。

图8：在-10°C至+ 60°C范围内的PTC图，使用(yòng)两个方程式来计算温度。

在图9中，我们通过在瞬态中执行仿真来观察電(diàn)路输出電(diàn)压的曲線(xiàn)，该瞬变涉及从-10°C到+ 60°C的温度“扫描”。该图提供的最小(xiǎo)電(diàn)压為(wèi)大约為(wèi)1.61 V，最大大约為(wèi)1.82 V，平均電(diàn)流為(wèi)15.8 mA。

图9：在-10°C至+ 60°C的温度“扫描”下的電(diàn)路输出電(diàn)压。

该项目的目的是通过一个简单的图表在屏幕上记录温度趋势，该图表可(kě)以由设计人员进行调整。

连接和连接：接線(xiàn)图

為(wèi)了创建一个简单而初步的项目，我们决定通过将热探针通过電(diàn)阻分(fēn)压器直接连接到M5Stack系统来限制電(diàn)路的复杂性，如图10的接線(xiàn)图所示。不幸的是，使用(yòng)2線(xiàn)制连接时，電(diàn)缆的電(diàn)阻会作為(wèi)误差添加到实际测量中。对于PT1000探头，電(diàn)缆電(diàn)阻的影响要小(xiǎo)十倍。為(wèi)了补偿这些损耗，使用(yòng)了3根和4根导線(xiàn)的PT100。因此，必须理(lǐ)解的是，连接必须非常短且薄。為(wèi)了消除任何干扰，可(kě)以在负载上并联插入一个小(xiǎo)電(diàn)容器。

图10：温度计与PT100的接線(xiàn)

素描

源代码清单非常简单，并且构成了可(kě)以根据程序员的需求进行修改的主要基础。您会发现本文(wén)附带的草(cǎo)图。通常，它执行以下步骤：

包括图书馆；

超采样定义；

变量声明；

M5Stack模块的初始化；

屏幕清洁和网格设计；

采集过采样電(diàn)压；

计算数字電(diàn)压；

模拟電(diàn)压的计算；

计算R1上的電(diàn)流；

计算PT100的電(diàn)阻值；

计算探头温度；

渐进图的可(kě)视化。

因此，温度将逐步显示在图表上。当它到达屏幕的最右边时，它消失并且显示重新(xīn)开始。确定各种参数计算的方程式很(hěn)有(yǒu)趣：

总和=超级采样;

電(diàn)压=（（float）Sum / 4096.0）* 3.3;

iR1 =（3.3電(diàn)压）/ 100;

R2 =電(diàn)压/ iR1;

tempC =（-245.925）+（2.35977 * R2）+（0.000994709 * R2 * R2）;

如果用(yòng)户想要不同的屏幕扫描速度，则只需要更改“ SUPERSAMPLING”声明的值即可(kě)。

测试与使用(yòng)

测试不需要特殊的操作。您只需将精密電(diàn)阻和探头连接到M5Stack模块的端子即可(kě)。接通系统電(diàn)源后，应立即显示图形，如图11所示。可(kě)以使用(yòng)NTC或PTC代替PT100，但是在这种情况下，有(yǒu)必要修改公式和電(diàn)阻值，以及创建使温度传感器响应呈線(xiàn)性的算法。

图11：PT100测量变压器的热性能(néng)

本文(wén)分(fēn)析的温度计非常简单，但显然精度不高。要创建性能(néng)更高的温度计，需要具有(yǒu)更高分(fēn)辨率的ADC，例如24位分(fēn)辨率的ADC，例如MAX31865。有(yǒu)用(yòng)增益等于10的OPAMP放大来自分(fēn)频器的信号，以克服所提供的低变化或可(kě)能(néng)对处理(lǐ)后的值进行校正的问题，也可(kě)能(néng)是有(yǒu)用(yòng)的。理(lǐ)想的解决方案是使探头承受恒定電(diàn)流，这样電(diàn)压将与温度成正比。在任何情况下，无论采用(yòng)哪种解决方案，只有(yǒu)使用(yòng)4線(xiàn)连接的PT100才能(néng)实现最高的测量精度。本文(wén)介绍的一个项目是一个通用(yòng)的基础项目，可(kě)从此项目开始构建更复杂的系统。