PT100 мен Arduino көмегімен температураны өлшеу: 16 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Бұл жобаның мақсаты - температураны өлшеу жүйесін құру, құру және сынау. Жүйе 0 -ден 100 ° C дейінгі температура диапазонын өлшеуге арналған. Температураны өлшеу үшін PT100 қолданылды және ол қоршаған температураға байланысты қарсылығын өзгертетін қарсылық температурасы детекторы (RTD).

1 -қадам: Аппарат

1x PT100

1x Нан тақтасы

2х 2,15 кОм резисторлар

1х 100 Ом резистор

Сымдар

Нәр беруші

Дифференциалды күшейткіш

2 -қадам: PT100 туралы

Біздің жоба аясында бізге қоршаған ортаның температурасын 0 градустан 100 градус Цельсийге дейін өлшеу міндеті жүктелген. Біз келесі себептерге байланысты PT100 қолдануды шештік:

PT100 -температураны -200 градустан максимум 850 градус Цельсийге дейін өлшей алатын, бірақ әдетте 200 градустан жоғары температураны өлшеу үшін қолданылмайтын қарсылық температурасы детекторы (RTD). Бұл диапазон біздің талаптарға сәйкес келеді.

Бұл сенсор қоршаған ортаның белгілі бір температурасына төзімділік береді. Сенсордың температурасы мен кедергісі арасындағы байланыс сызықты. Бұл сенсордың минималды қондырғысымен қатар, егер болашақта басқа температуралық диапазон қажет болса, онымен жұмыс жасауды және құрбандық үстелін жеңілдетеді.

PT100 -де жауап беру уақыты баяу, бірақ дәл. Бұл сипаттамалар біздің мақсатымызға айтарлықтай әсер етпейді, сондықтан қандай температура сенсорын қолдану керектігін шешуге әсер етпеді.

3 -қадам: Уитстон көпірі

Бидай тасты көпір белгісіз электр кедергісін өлшеу үшін көпір тізбегінің екі аяғын теңестіру арқылы қолданылады, оның бір аяғы белгісіз компонентті қамтиды.

Схеманың басты артықшылығы - оның 0В -тан басталатын шығыс кернеуінің диапазонын алу мүмкіндігі.

Қарапайым кернеу бөлгішті қолдануға болады, бірақ кернеу шығынын күшейтудің тиімділігін төмендететін кез келген ауытқудан құтылуға мүмкіндік бермейді.

PT100 кедергісі 0 -ден 100 градус Цельсий температурасы үшін 100 -ден 138.5055 -ке дейін өзгереді.

Бидай тасты көпірінің формуласы төменде берілген, оны pdf кестесінен алынған әр түрлі диапазон үшін бидай тасты көпірінің көлемін өзгерту үшін пайдалануға болады.

Vout = Vin (R2/(R1+R2) - R4/(R3+R4))

Біздің сценарийде:

R2 біздің PT100 кедергісі болады.

R1 R3 -ке тең болады.

0 вольтты 0 градус Цельсийде шығару үшін R4 100 Ом тең болуы керек.

Vout -ты 0В -қа және Винді 5В -ке орнату бізге R1 және R2 = 2,2к Ом мәндерін алуға мүмкіндік береді.

Содан кейін біз сенсордың кедергісін 100 градус Цельсий = 80мВ алу үшін 138.5055 омға қосуға болады.

4 -қадам: схеманы модельдеу

Тізбекті модельдеуге арналған құрал, OrCAD Capture біздің схеманы имитациялау үшін және әр түрлі температурадағы кернеудің күтілетін шығуын табу үшін пайдаланылды. Бұл кейінірек біздің жүйенің қаншалықты дәл екенін салыстыру үшін пайдаланылады.

Бұл схема pt100 кедергісін 100 омнан 138.5055 омға дейін 3.85055 ом қадамымен өзгерткен параматикалық тазарту арқылы уақытша уақытты талдау арқылы модельденді.

5 -қадам: модельделген нәтижелер

Жоғарыда келтірілген нәтижелер тізбектің шығыс кернеуі мен кедергі мәндерінің сызықтық байланысын көрсетеді.

Содан кейін нәтижелер excel -ге енгізіліп, диаграмма құрылды. Excel осы мәндермен байланысты сызықтық формуланы ұсынады. Сенсордың сызықтық және шығыс кернеу диапазонын растау.

6 -қадам: схеманы құру

Схема 2,2 кОмдық екі резистор мен 100 омдық резистордың көмегімен біріктірілді.

Резисторлардың төзімділігі +-5%құрайды. Қарсылықтың әр түрлі мәндері көпірдің 0 градусқа теңгерілмеуіне әкеледі.

Параллель резисторлар R4 мүмкіндігінше 100 Ом -ға жақын болу үшін номиналды қарсылық мөлшерін қосу үшін 100 Ом резисторына тізбектей қосылды.

Бұл 0.00021В шығыс кернеуін шығарды, ол 0V -ге өте жақын.

R1 - 2, 1638 Ом және R3 - 2, 1572 Ом. R1 мен R3 тең болатын көп резисторды қосуға болады, бұл теңдестірілген көпір береді.

мүмкін болатын қателер:

Әр түрлі температура мәндерін тексеру үшін қолданылатын айнымалы резисторлық қорап дәл болмауы мүмкін

7 -қадам: өлшенген нәтижелер

Өлшенген нәтижелерді төменде көруге болады.

Температураның өзгеруі R2 кедергісін PT100 мәліметтер кестесінде табуға болатын әр түрлі кедергілерге орнату үшін айнымалы резисторлық қораптың көмегімен өлшенді.

Мұнда табылған формула температураның шығуын анықтау үшін кодтың бөлігі ретінде қолданылады.

8 -қадам: Температураның үлкен диапазоны үшін

Егер өте жоғары температураны тіркеу қажет болса, K типті термопара тізбекке енгізілуі мүмкін. K типті термопара -270 -тен 1370 градусқа дейінгі температура диапазонын өлшей алады.

Термопаралар термоэлектрлік эффект негізінде жұмыс істейді, температураның айырмашылығы потенциалдар айырымын тудырады (кернеу).

Термопаралар екі температураның айырмашылығына негізделгендіктен тірек торабындағы температураны білу қажет.

Термопаралармен өлшеудің екі әдісі бар:

PT100 сенсоры тірек торабына орнатылып, кернеу кернеуін өлшеуге болады

Термопараның тірек торабын 0 градус Цельсий бойынша тұрақты болатын мұз ваннасына қоюға болады, бірақ бұл жоба үшін мүмкін емес

9 -қадам: Шолу: дифференциалды күшейткіш кезеңі

Дифференциалды күшейткіш құрылымның ажырамас бөлігі болып табылады. Дифференциалды күшейткіш, негізінен, айналмайтын және төңкермейтін күшейткішті бір тізбекке біріктіреді. Әрине, кез -келген құрылыс сияқты, ол өзінің шектеулерімен бірге келеді, бірақ келесі қадамдарда көрсетілгендей, бұл 5В дұрыс шығуын алуға көмектеседі.

10 -қадам: Дифференциалды күшейткіш туралы

Дифференциалды күшейткіш - бұл операциялық күшейткіш. Бұл Уитстоун көпірінен мВ -қа V дейін кернеудің шығуын күшейтудің осы схемасында маңызды рөл атқарады, содан кейін Arduino кернеуі ретінде оқылады. Бұл күшейткіш екі кернеуді енгізеді және екі сигнал арасындағы айырмашылықты күшейтеді. Бұл кернеудің дифференциалды кірісі деп аталады. Кейін дифференциалды кернеуді күшейткіш күшейтеді және оны күшейткіштің шығысында байқауға болады. Күшейткіштің кірістері алдыңғы бөлімдегі Уитстоун көпірінің кернеу бөлгіштерінен алынады.

11 -қадам: артықшылықтар мен шектеулер

Дифференциалды күшейткіш өзінің жақсы және жаман жақтарымен бөліседі. Мұндай күшейткішті қолданудың басты артықшылығы - құрылыстың қарапайымдылығы. Бұл қарапайым құрылыстың арқасында ол тізбектегі ақауларды жоюды жеңілдетеді және тиімдірек етеді.

Мұндай схеманы қолданудың кемшіліктері - күшейткіштің пайда болуын реттеу үшін, табысты анықтайтын резисторлар (кері байланыс резисторы және жерге қосылған резистор) екеуін де өшіру керек, бұл уақытты қажет етуі мүмкін. Екіншіден, жұмыс күшейткішінде CMRR салыстырмалы түрде төмен (жалпы режимді қабылдамау коэффициенті) бар, ол кіріс ауытқу кернеуінің әсерін жұмсарту үшін өте қолайлы емес. Осылайша, біздегідей конфигурацияда жоғары CMRR болуы офсеттік кернеудің әсерін азайту үшін маңызды.

12 -қадам: Қажетті шығыс табысын таңдау

Оп-ампта схемаға қосылған 4 резистор бар. Кернеу кірістерінде сәйкес келетін 2 резистор, екіншісі жерге қосылған, сонымен қатар кері байланыс резисторы. Бұл екі резистор оп-амптың кіріс кедергісі ретінде қызмет етеді. Әдетте, резистор 10-100 киломадр жеткілікті болуы керек, алайда бұл резисторлар орнатылғаннан кейін, кірістің бірінде кернеу резисторының кіріс резисторына қатынасы кернеу шығыны коэффициентіне тең болу арқылы кірісті анықтауға болады. (Rf/Rin).

Жерге қосылған резистор, сондай -ақ кері байланыс резисторы сәйкес келеді. Бұл табысты анықтайтын резисторлар. Кіріс кедергісі жоғары болғандықтан, ол тізбекке жүктеменің әсерін азайтады, яғни бақыланбайтын жағдайда жойқын әсер етуі мүмкін құрылғы арқылы жоғары токтың өтуіне жол бермейді.

13 -қадам: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino - сандық және аналогты енгізу -шығару порттары бар бағдарламаланатын микроконтроллер. Микроконтроллер күшейткіштен кернеуді аналогтық кіріс штырь арқылы оқуға бағдарламаланған. Біріншіден, Arduino 0-5 В тізбек шығыс диапазонындағы кернеуді оқиды және оны 0-1023 DU түрлендіреді және ол мәнді басып шығарады. Әрі қарай, кернеу мәнін алу үшін аналогтық мән 5 -ке көбейтіледі және 1023 -ке бөлінеді. Бұл мән 20-ға көбейтіліп, 0-100 С температура диапазонының нақты шкаласын береді.

Есептеу мен сезімталдық мәндерін алу үшін, A0 кіріс түйреуішінің көрсеткіштері PT100 үшін әр түрлі мәндермен алынды және сызықтық теңдеуді алу үшін график құрылды.

Қолданылған код:

void setup () {Serial.begin (9600); // компьютермен сериялық байланысты бастаңыз

pinMode (A0, INPUT); // күшейткіштен шығыс осы түйреуішке қосылады

}

бос цикл ()

{өзгермелі жылжу = 6.4762;

өзгермелі сезімталдық = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // A0 кірісін оқыңыз

Serial.print («Аналогты мән:»);

Serial.println (AnalogValue); // енгізу мәнін басып шығару

кешіктіру (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // мульді 5-ке 0-100 градусқа дейін беру

Serial.print («Сандық мән:»);

Serial.println (DigitalValue); // аналогты кернеудің мәні

float temp = (AnalogValue - ofset)/сезімталдық;

Serial.print («Температура мәні:»);

Serial.println (temp); // басып шығару темп

кешіктіру (5000);

}

14 -қадам: ақауларды жою

Опера-амперге 15В және бидай тасты көпір мен ардуиноға 5В жеткізу ортақ негізге ие болуы керек. (барлық 0v мәндерін бір -біріне қосу керек.)

Қысқа тұйықталудың болмауын қамтамасыз ету үшін әр резистордан кейін кернеудің төмендеуіне көз жеткізу үшін вольтметрді қолдануға болады.

Егер нәтижелер әр түрлі және тұрақсыз болса, сымның кедергісін өлшеу үшін вольтметр көмегімен тексеруге болады, егер қарсылық «офлайн» деп көрсетсе, бұл шексіз қарсылық бар екенін және сым ашық тізбекті білдіреді.

Сымдар 10 Омнан аз болуы керек.

Бидай тасты көпіріндегі кернеу айырмашылығы температура диапазонының минималды диапазонында 0В болуы керек, егер көпір теңестірілмесе, себебі:

резисторлар төзімділікке ие, демек оларда бидай тас көпірінің теңгерімсіздігіне әкелетін қате болуы мүмкін, егер тізбектен шығарылса, кедергілерді вольтметрмен тексеруге болады. көпірді теңестіру үшін кіші резисторларды тізбектей немесе параллель қосуға болады.

Сериялар = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

15 -қадам: Қайта масштабтау

Жүйені басқа температураға ауыстыру формуласы мен әдісін бидай тасты көпір бөлігінде табуға болады. Осы мәндер табылып, схема орнатылғаннан кейін:

PT100 резисторлық қораппен ауыстырылуы керек, қарсылық мәндері берілген pdf -ден алынған қарсылықтың сәйкес мәндерін қолдана отырып, жаңа температура диапазонынан реттелуі керек.

Өлшенген кернеу мен кедергілерді x осінде температурамен (қарсылықпен) және у бойынша кернеумен Excel -де салу керек.

Бұл өрнектен формула беріледі, ығысу қосылатын тұрақты болады және сезімталдық x -ке көбейтілетін болады.

Бұл мәндер кодта өзгертілуі керек және сіз жүйені сәтті түрде өзгерттіңіз.

16 -қадам: Arduino орнату

тізбектегі күшейткіштің шығуын Arduino A0 кіріс шнурына қосыңыз

Arduino Nano -ны компьютердегі USB порты арқылы қосыңыз.

кодты Arduino эскизінің жұмыс кеңістігіне қойыңыз.

Кодты құрастырыңыз.

Құралдар> Тақта> Arduino Nano таңдаңыз.

Құралдар> Порт> COM портын таңдаңыз.

Кодты Arduino -ға жүктеңіз.

Шығарылатын цифрлық мән-оп-ампердің кернеуі (0-5В болуы керек)

Температураның мәні - бұл Цельсий бойынша жүйелердің оқылатын температурасы.