Đo nhiệt độ bằng PT100 và Arduino: 16 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Mục tiêu của dự án này là thiết kế, xây dựng và thử nghiệm một hệ thống cảm biến nhiệt độ. Hệ thống được thiết kế để đo dải nhiệt độ từ 0 đến 100 ° C. PT100 được sử dụng để đo nhiệt độ và nó là một máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) thay đổi điện trở của nó tùy thuộc vào nhiệt độ xung quanh.

Bước 1: Thiết bị

1x PT100

1x Breadboard

Điện trở 2x 2,15 kohms

1x 100 ohms điện trở

Dây điện

Nguồn cấp

Bộ khuếch đại vi sai

Bước 2: Giới thiệu về PT100

Là một phần trong dự án của chúng tôi, chúng tôi có nhiệm vụ đo nhiệt độ xung quanh từ 0 độ đến 100 độ C. Chúng tôi quyết định sử dụng PT100 vì những lý do sau:

PT100 là một máy dò nhiệt độ điện trở (RTD), có thể đo nhiệt độ từ -200 độ đến tối đa là 850 độ C, nhưng không thường được sử dụng để đo nhiệt độ trên 200 độ. Phạm vi này phù hợp với yêu cầu của chúng tôi.

Cảm biến này tạo ra một điện trở đối với nhiệt độ xung quanh nhất định. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của cảm biến là tuyến tính. Điều này, cùng với thiết lập tối thiểu mà cảm biến yêu cầu, giúp bạn dễ dàng làm việc và thay thế nếu cần các phạm vi nhiệt độ khác trong tương lai.

PT100 cũng có thời gian phản hồi chậm nhưng chính xác. Những đặc điểm này không ảnh hưởng nhiều đến mục tiêu của chúng tôi và do đó không ảnh hưởng nhiều đến việc quyết định sử dụng cảm biến nhiệt độ nào.

Bước 3: Cầu Wheatstone

Cầu Wheystone được sử dụng để đo điện trở chưa biết bằng cách cân bằng hai chân của mạch cầu, một chân của mạch cầu này bao gồm thành phần chưa biết.

Lợi ích chính của mạch là khả năng nhận được dải điện áp đầu ra bắt đầu từ 0V.

Một bộ chia điện áp đơn giản có thể được sử dụng nhưng sẽ không cho phép chúng ta loại bỏ bất kỳ dòng điện bù nào, điều này sẽ làm cho việc khuếch đại đầu ra điện áp kém hiệu quả hơn.

Điện trở trong PT100 thay đổi từ 100 đến 138,5055 đối với nhiệt độ từ 0 đến 100 độ C.

Công thức cho cầu đá mì dưới đây, nó có thể được sử dụng để bán lại tỷ lệ cầu đá mì cho các phạm vi khác nhau nhận được từ bảng pdf đính kèm.

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

Trong kịch bản của chúng tôi:

R2 sẽ là kháng PT100 của chúng tôi.

R1 sẽ bằng R3.

R4 cần phải bằng 100 ôm để đầu ra 0V ở 0 độ C.

Đặt Vout thành 0V và Vin thành 5V cho phép chúng ta có được điện trở thu được các giá trị cho R1 và R2 = 2,2k ohms.

Sau đó, chúng tôi có thể phụ ở mức 138.5055 ohms cho điện trở của cảm biến để có được điện áp đầu ra của chúng tôi ở 100 độ C = 80mV

Bước 4: Mô phỏng mạch

Một công cụ để mô phỏng mạch, OrCAD Capture đã được sử dụng để mô phỏng mạch của chúng tôi và tìm đầu ra Điện áp dự kiến ở các nhiệt độ khác nhau. Điều này sẽ được sử dụng sau này để so sánh mức độ chính xác của hệ thống của chúng tôi.

Mạch được mô phỏng bằng cách thực hiện phân tích thời gian thoáng qua với quét paramatic làm thay đổi điện trở pt100 từ 100 ohms đến 138,5055 ohms trong các bước 3.85055 ohms.

Bước 5: Kết quả mô phỏng

Kết quả trên cho thấy mối quan hệ tuyến tính của Điện áp đầu ra của mạch và các giá trị điện trở.

Kết quả sau đó được nhập vào excel và vẽ biểu đồ. Excel cung cấp công thức tuyến tính được liên kết với các giá trị này. Xác nhận tuyến tính và dải điện áp đầu ra của cảm biến.

Bước 6: Tạo mạch

Mạch được ghép với nhau bằng cách sử dụng hai điện trở 2,2k ohm và một điện trở 100 ohm.

Các điện trở có dung sai + -5%. Các giá trị điện trở khác nhau làm cho cầu không cân bằng ở 0 độ.

Các điện trở song song được thêm nối tiếp vào điện trở 100 ohm để thêm lượng điện trở danh định để có R4 càng gần 100 ohm càng tốt.

Điều này tạo ra điện áp đầu ra là 0,00021V, rất gần với 0V.

R1 là 2, 1638 ohms và R3 là 2, 1572 ohms. Nhiều điện trở hơn có thể được kết nối để làm cho R1 và R3 chính xác bằng nhau, tạo ra một cây cầu hoàn toàn cân bằng.

lỗi có thể xảy ra:

hộp biến trở được sử dụng để kiểm tra các giá trị nhiệt độ khác nhau có thể không chính xác

Bước 7: Kết quả đo lường

Kết quả đo được có thể được nhìn thấy bên dưới.

Thay đổi nhiệt độ được đo bằng cách sử dụng hộp biến trở, để đặt điện trở của R2 thành các điện trở khác nhau có thể tìm thấy trong biểu dữ liệu PT100.

Công thức tìm thấy ở đây sẽ được sử dụng như một phần của mã để xác định nhiệt độ đầu ra.

Bước 8: Đối với các phạm vi nhiệt độ lớn hơn nhiều

Một cặp nhiệt điện Loại K có thể được đưa vào mạch điện nếu cần ghi lại nhiệt độ rất cao. Cặp nhiệt điện loại K có thể đo dải nhiệt độ từ -270 đến 1370 độ C.

Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện, Sự chênh lệch về nhiệt độ tạo ra hiệu điện thế (Hiệu điện thế).

Vì Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên sự chênh lệch của hai nhiệt độ, nhiệt độ tại điểm nối tham chiếu cần phải được biết.

Có hai phương pháp đo bằng cặp nhiệt điện mà chúng tôi có thể sử dụng:

Một cảm biến PT100 có thể được đặt ở điểm nối tham chiếu và đo điện áp tham chiếu

Điểm nối tham chiếu của cặp nhiệt điện có thể được đặt trong bể nước đá có nhiệt độ không đổi 0 độ C nhưng sẽ không thực tế đối với dự án này

Bước 9: Tổng quan: Giai đoạn Khuếch đại Vi sai

Bộ khuếch đại vi sai là một phần không thể thiếu trong bản dựng. Bộ khuếch đại vi sai kết hợp những gì về cơ bản là một bộ khuếch đại không đảo và đảo ngược thành một mạch duy nhất. Tất nhiên giống như với bất kỳ bản dựng nào, nó đi kèm với những hạn chế riêng của nó, tuy nhiên như sẽ được trình bày trong vài bước tiếp theo, nó chắc chắn hỗ trợ việc thu được đầu ra chính xác là 5V.

Bước 10: Giới thiệu về Bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại hoạt động. Nó đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế mạch này là khuếch đại điện áp đầu ra từ cầu Wheatstone theo mV thành V và sau đó được đọc như một đầu vào điện áp bởi Arduino. Bộ khuếch đại này nhận hai đầu vào điện áp và khuếch đại sự khác biệt giữa hai tín hiệu. Đây được gọi là đầu vào điện áp vi sai. Đầu vào điện áp vi sai sau đó được khuếch đại bởi bộ khuếch đại và có thể được quan sát ở đầu ra của bộ khuếch đại. Các đầu vào của bộ khuếch đại được lấy từ các bộ phân áp của cầu Wheatstone ở phần trước.

Bước 11: Lợi ích và Hạn chế

Bộ khuếch đại vi sai đi kèm với những ưu và nhược điểm riêng. Lợi ích chính của việc sử dụng một bộ khuếch đại như vậy là dễ dàng xây dựng. Kết quả của việc xây dựng dễ dàng này, nó làm cho việc khắc phục sự cố gặp phải với mạch dễ dàng hơn và hiệu quả hơn.

Nhược điểm của việc sử dụng mạch như vậy là để điều chỉnh độ lợi của bộ khuếch đại, cả hai điện trở xác định độ lợi (điện trở phản hồi và điện trở nối đất) phải được ngắt ra, có thể là thời gian tích lũy. Thứ hai, op-amp có CMRR (tỷ lệ loại bỏ chế độ chung) tương đối thấp, không lý tưởng để giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp bù đầu vào. Vì vậy, trong một cấu hình như của chúng tôi, có CMRR cao là điều cần thiết trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp bù.

Bước 12: Chọn Mức tăng đầu ra mong muốn

Op-amp có 4 điện trở được kết nối với mạch. 2 điện trở phù hợp ở đầu vào điện áp, một điện trở khác kết nối với đất cũng như một điện trở phản hồi. Hai điện trở này đóng vai trò là trở kháng đầu vào của op-amp. Thông thường, một điện trở trong phạm vi 10-100 kilohms là đủ, tuy nhiên khi các điện trở này đã được đặt, độ lợi có thể được xác định bằng cách để cho độ lợi đầu ra mong muốn bằng tỷ lệ của điện trở phản hồi với điện trở đầu vào tại một trong các đầu vào (Rf / Rin).

Điện trở nối đất, cũng như điện trở phản hồi, được khớp với nhau. Đây là những điện trở xác định độ lợi. Bằng cách có trở kháng đầu vào cao, nó giảm thiểu ảnh hưởng của việc tải lên mạch, tức là ngăn lượng dòng điện cao chạy qua thiết bị có thể gây ra các hiệu ứng thoát nếu không được kiểm soát.

Bước 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino là một vi điều khiển có thể lập trình được với các cổng I / O kỹ thuật số và tương tự. Bộ vi điều khiển được lập trình để đọc điện áp từ bộ khuếch đại thông qua một chân đầu vào tương tự. Đầu tiên, Arduino sẽ đọc điện áp từ dải đầu ra của mạch 0-5 V và chuyển nó thành 0-1023 DU và nó sẽ in ra giá trị. Tiếp theo, giá trị tương tự sẽ được nhân với 5 và chia cho 1023 để có giá trị điện áp. Giá trị này sẽ được nhân với 20 để đưa ra thang đo chính xác cho dải nhiệt độ từ 0-100 C.

Để nhận các giá trị độ lệch và độ nhạy, các giá trị đọc từ chân đầu vào trên A0 được lấy với các giá trị khác nhau cho PT100 và đồ thị được vẽ để có được phương trình tuyến tính.

Mã đã được sử dụng:

void setup () {Serial.begin (9600); // bắt đầu kết nối nối tiếp với máy tính

pinMode (A0, INPUT); // đầu ra từ bộ khuếch đại sẽ được kết nối với chân này

}

void loop ()

{float offset = 6.4762;

độ nhạy float = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Đọc đầu vào trên A0

Serial.print ("Giá trị tương tự:");

Serial.println (AnalogValue); // in giá trị đầu vào

chậm trễ (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul x 5 để cung cấp phạm vi 0-100 độ

Serial.print ("Giá trị số:");

Serial.println (DigitalValue); // giá trị điện áp tương tự

float temp = (AnalogValue - offset) / độ nhạy;

Serial.print ("Giá trị nhiệt độ:");

Serial.println (tạm thời); // in tạm thời

chậm trễ (5000);

}

Bước 14: Khắc phục sự cố

Nguồn cung cấp 15V cho op-amp và nguồn 5V cho cầu nối breadstone và arduino phải có điểm chung. (tất cả các giá trị 0v cần được kết nối với nhau.)

Một vôn kế có thể được sử dụng để đảm bảo rằng điện áp giảm sau mỗi điện trở để giúp đảm bảo không có đoản mạch.

Nếu kết quả thay đổi và không nhất quán, có thể kiểm tra các dây được sử dụng bằng cách sử dụng vôn kế để đo điện trở của dây, nếu điện trở cho biết "ngoại tuyến" thì có nghĩa là có điện trở vô hạn và dây có mạch hở.

Dây phải nhỏ hơn 10 ohms.

Chênh lệch điện áp qua cầu đá mì phải là 0V ở phạm vi tối thiểu của dải nhiệt độ, nếu cầu không được cân bằng thì có thể là do:

các điện trở có dung sai, có nghĩa là chúng có thể có lỗi làm mất cân bằng cầu đá mì, các điện trở có thể được kiểm tra bằng vôn kế nếu nó bị loại bỏ khỏi mạch. Các điện trở nhỏ hơn có thể được mắc nối tiếp hoặc song song để cân bằng cầu.

Rseries = r1 + r2

1 / Rparallel = 1 / r1 + 1 / r2

Bước 15: Thay đổi quy mô

Bạn có thể tìm thấy công thức và phương pháp thay đổi quy mô hệ thống cho một nhiệt độ khác trong phần cầu của đá mì. Khi các giá trị này được tìm thấy và mạch được thiết lập:

PT100 nên được thay thế bằng hộp điện trở, Các giá trị điện trở nên được điều chỉnh từ phạm vi nhiệt độ mới bằng cách sử dụng các giá trị điện trở thích hợp thu được từ pdf đính kèm.

Điện áp và điện trở đo được và phải được vẽ biểu đồ bằng excel với nhiệt độ (điện trở) trên trục x và điện áp trên y.

Một công thức sẽ được đưa ra từ biểu đồ này, phần bù sẽ là hằng số được thêm vào và độ nhạy sẽ là số nhân với x.

Các giá trị này sẽ được thay đổi trên mã và bạn đã thay đổi tỷ lệ hệ thống thành công.

Bước 16: Thiết lập Arduino

kết nối đầu ra của amp mạch với chân đầu vào A0 của Arduino

Kết nối Arduino Nano qua cổng USB trên PC.

dán mã vào không gian làm việc phác thảo Arduino.

Biên dịch mã.

Chọn Công cụ> Bảng> Chọn Arduino Nano.

Chọn Công cụ> Cổng> Chọn cổng COM.

Tải mã lên Arduino.

Giá trị kỹ thuật số đầu ra là đầu ra điện áp của op-amp (phải là 0-5V)

Giá trị nhiệt độ là nhiệt độ hệ thống đọc được tính bằng độ C.