帶有M5Stack和PT100的溫度監控器

2021-04-29

帶有M5Stack和PT100的溫度監控器

PT100探頭是鉑電阻溫度計，在0°C的溫度下的標稱(chēng)電阻為100Ω。其功能受IEC 751（EN 60751）標準的調節。這種類(lèi)型的溫度傳感器稱(chēng)為“電阻溫度檢測器”（RTD）。我們將使用M5Stack系統創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單但有用的溫度監視器，該監視器允許在彩色顯示器上可視化數據。

PT100電阻溫度計

PT100電阻溫度計已在實(shí)驗室或工業(yè)應用中用于測量溫度已有多年歷史（見(jiàn)圖1）。）。Pt100是最常見(jiàn)的型號，但市場(chǎng)上還提供了其他更復雜的型號，例如PT500和PT1000，它們更加堅固并且對電干擾不敏感。它們還可以用于更關(guān)鍵的工業(yè)應用中。典型的模型以圓柱形狀構建，并涂有護套。鉑電阻溫度計允許在-200°C和850°C之間的環(huán)境中運行，響應和特性曲線(xiàn)幾乎是線(xiàn)性的，持續時(shí)間實(shí)際上是無(wú)限的，并且具有非常高的精度。在本項目中，我們將使用兩線(xiàn)制PT100。對于?200°C至850°C的溫度，該型號的電阻范圍為20歐姆至400歐姆。帶有三根和四根導線(xiàn)的PT100將具有不同且更復雜的電路。

圖1：PT100溫度探頭

M5堆棧

所述M5Stack適于發(fā)展的IoT的應用（見(jiàn)開(kāi)發(fā)套件圖2）。它是開(kāi)源的，并且與Arduino兼容。它可以用來(lái)輕松創(chuàng )建各種應用程序。它配備了TFT-LCD，可以以高分辨率查看文本，圖形和圖像。四個(gè)側面提供了連接到GPIO端口的連接器。其他信息可以在我們之前的一些文章中以及官方網(wǎng)站上找到。M5Stack可以使用Arduino IDE進(jìn)行編程，但是為此，必須正確安裝庫和其他基本組件。

圖2

如何測量溫度

有幾種使用PT100探頭計算溫度的方法。IEC 751標準為使用PT100溫度計的系統校準提供了精確的參考表，如圖3所示。該表包含在-200°C和+809°C之間的溫度下探頭的所有電阻值。例如，在+ 27°C的溫度下，傳感器的電阻應為110,509歐姆。一個(gè)系統解決方案可能是將該表的所有值存儲在一個(gè)數組中，然后通過(guò)歐姆定律進(jìn)行簡(jiǎn)單計算即可找到正確的溫度值。顯然，在程序源中插入1000多個(gè)值可能有點(diǎn)乏味和累人。

圖3：符合IEC 751的PT100溫度計的校準表 

因此，另一個(gè)好的解決方案是依靠一個(gè)數學(xué)方程式，該方程式描述設備的電阻與檢測到的溫度之間的（相當線(xiàn)性）關(guān)系。一個(gè)很好的方程式如圖4所示。推導其他參數的逆計算相對容易。

圖4：根據溫度確定PTC電阻的方程式之一

圖5顯示了PT100電阻趨勢與溫度的關(guān)系圖。該圖是根據IEC 751標準規定的表構建的。

圖5：PT100的電阻和溫度圖

我們將在本文中討論的項目涉及在一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器上的電壓檢測，該電阻分壓器由兩個(gè)電阻組成：一個(gè)在底部由PT100傳感器代表，一個(gè)在頂部由一個(gè)精密電阻代表。圖6顯示了原理圖。溫度變化會(huì )導致PT100的電阻發(fā)生變化，從而導致PT100兩端的電壓發(fā)生變化。該值將由系統ADC處理，然后由固件處理，以計算和顯示相應的溫度。

圖6：從電阻分壓器讀取電壓的原理圖

在分壓器中使用100 Ohm電阻更為方便，因為中心點(diǎn)的電氣偏移較高，因此電阻值較高。通過(guò)一些SPICE指令，還可以使用最重要的電子軟件來(lái)模擬PT100。例如，使用LTspice程序，您可以插入以下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 *溫度）+（tc2 *溫度** 2）+ tc3 *（溫度100）*（溫度** 3）*（1-u（溫度）））

R1 AB {Rrtd}

.ENDS

您當然可以更改環(huán)境溫度（例如26°C），其中還包括以下指令：

。溫度26

項目分析與目的

本文旨在創(chuàng )建一個(gè)介于-10°C和+ 60°C之間的簡(jiǎn)單溫度測量系統，該系統的工作范圍非常短（請參見(jiàn)圖7中的對應表）。因此，我們可以為這組值采用一個(gè)適應的公式。

圖7：-10°C至+ 60°C之間的電阻與溫度之間的對應表

對于此值范圍，執行曲線(xiàn)擬合并計算兩個(gè)不同的方程式非常簡(jiǎn)單：第一個(gè)是線(xiàn)性的，第二個(gè)是二次多項式，如圖8的曲線(xiàn)所示，以及所選時(shí)間間隔內PT100的特性圖。第一個(gè)方程的R ^ 2為0.999992，而第二個(gè)方程的R ^ 2為1。

圖8：在-10°C至+ 60°C范圍內的PTC圖，使用兩個(gè)方程式來(lái)計算溫度。

在圖9中，我們通過(guò)在瞬態(tài)中執行仿真來(lái)觀(guān)察電路輸出電壓的曲線(xiàn)，該瞬變涉及從-10°C到+ 60°C的溫度“掃描”。該圖提供的最小電壓為大約為1.61 V，最大大約為1.82 V，平均電流為15.8 mA。

圖9：在-10°C至+ 60°C的溫度“掃描”下的電路輸出電壓。

該項目的目的是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的圖表在屏幕上記錄溫度趨勢，該圖表可以由設計人員進(jìn)行調整。

連接和連接：接線(xiàn)圖

為了創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單而初步的項目，我們決定通過(guò)將熱探針通過(guò)電阻分壓器直接連接到M5Stack系統來(lái)限制電路的復雜性，如圖10的接線(xiàn)圖所示。不幸的是，使用2線(xiàn)制連接時(shí)，電纜的電阻會(huì )作為誤差添加到實(shí)際測量中。對于PT1000探頭，電纜電阻的影響要小十倍。為了補償這些損耗，使用了3根和4根導線(xiàn)的PT100。因此，必須理解的是，連接必須非常短且薄。為了消除任何干擾，可以在負載上并聯(lián)插入一個(gè)小電容器。

圖10：溫度計與PT100的接線(xiàn)

素描

源代碼清單非常簡(jiǎn)單，并且構成了可以根據程序員的需求進(jìn)行修改的主要基礎。您會(huì )發(fā)現本文附帶的草圖。通常，它執行以下步驟：

包括圖書(shū)館；

超采樣定義；

變量聲明；

M5Stack模塊的初始化；

屏幕清潔和網(wǎng)格設計；

采集過(guò)采樣電壓；

計算數字電壓；

模擬電壓的計算；

計算R1上的電流；

計算PT100的電阻值；

計算探頭溫度；

漸進(jìn)圖的可視化。

因此，溫度將逐步顯示在圖表上。當它到達屏幕的最右邊時(shí)，它消失并且顯示重新開(kāi)始。確定各種參數計算的方程式很有趣：

總和=超級采樣;

電壓=（（float）Sum / 4096.0）* 3.3;

iR1 =（3.3電壓）/ 100;

R2 =電壓/ iR1;

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

如果用戶(hù)想要不同的屏幕掃描速度，則只需要更改“ SUPERSAMPLING”聲明的值即可。

測試與使用

測試不需要特殊的操作。您只需將精密電阻和探頭連接到M5Stack模塊的端子即可。接通系統電源后，應立即顯示圖形，如圖11所示?？梢允褂?span>NTC或PTC代替PT100，但是在這種情況下，有必要修改公式和電阻值，以及創(chuàng )建使溫度傳感器響應呈線(xiàn)性的算法。

圖11：PT100測量變壓器的熱性能

本文分析的溫度計非常簡(jiǎn)單，但顯然精度不高。要創(chuàng )建性能更高的溫度計，需要具有更高分辨率的ADC，例如24位分辨率的ADC，例如MAX31865。有用增益等于10的OPAMP放大來(lái)自分頻器的信號，以克服所提供的低變化或可能對處理后的值進(jìn)行校正的問(wèn)題，也可能是有用的。理想的解決方案是使探頭承受恒定電流，這樣電壓將與溫度成正比。在任何情況下，無(wú)論采用哪種解決方案，只有使用4線(xiàn)連接的PT100才能實(shí)現最高的測量精度。本文介紹的一個(gè)項目是一個(gè)通用的基礎項目，可從此項目開(kāi)始構建更復雜的系統。