基于PT100的温度控制系统的设计与实现

宋歌 李稳国 刘博文 魏永祥 韩渊媛 王瑶

摘 要：PT100铂热电阻是工业生产中常用的测温元件，本文设计了一种以PT100为核心，MSP430F149为主控芯片，采用DC-DC温控电路和桥式测温电路的智能温度控制系统。DC-DC温控电路控制对空心陶瓷电阻进行加热；桥式测温电路将温度信号化为电压信号，再经差分放大后反馈给单片机，进行PID调节。经实际测试，系统工作稳定可靠，0℃至80℃温度可调，温度测量精度在±0.2℃以内，最长恒温时间为3分钟。

关键词：PT100；MSP430；惠斯通电桥；DC-DC

0 引言

温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业生产、生活应用和科学研究中是一个非常重要的参数[1]。在工业生产、生活应用或科学研究中，不可避免的要对一些控制对象进行温度监控和控制，对温度的实时监控是实现温度控制的前提，也有利于对控制对象的及时检查和保护。文献[2]提出了一种高精度测温系统设计，采用最小二乘法和PT100线型拟合。优点是测温精度高，但没有对控制对象进行温度控制，亦无法保护控制对象。文献[3]提出了一种温度测控系统，对温度控制简单、方便，并能有效保持温度，但温度调节速度慢，测温精度也仍需提高。

综上所述，本文采用脉冲宽度调制技术，设计了一种高精度测温的温度控制系统。该系统主要由DC-DC温度控制电路和桥式测温电路组成，以PT00为核心进行高精度温度测量，以MSP430F149单片机为主控模块进行温度的控制，实现高精度温度调节。

1 系统方案设计

系统采用PT100铂热电阻做温度传感器，利用DC-DC温度控制模块对大功率电阻加热完成温度的测量与控制。温度采集电路以PT100为核心，通过惠斯通电桥完成温度信号到电信号的转换，再经运放两级放大，反馈给单片机进行温度调节。温度控制系统由单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID调节，利用脉冲宽度调制技术产生PWM，控制DC-DC模块中的开关管对空心瓷管加热，实现温度的控制。可以通过键盘控制模块设定目标温度值，当温度值超过规定值时，系统通过蜂鸣器报警。为了实时显示温度值，采用MSP430F149单片机为监控和运算核心，并由液晶屏显示。系统总体方框图如图1所示。

2 主电路设计思路

2.1 DC-DC温度控制电路的设计

DC-DC温度控制电路采用降压变换电路，即BUCK电路。DC-DC电路中的开关管，由单片机产生一路PWM经推挽放大后控制其导通与截止，实现直流电压源到直流电流源的转换，输出电流直接对空心陶瓷电阻进行加热。PWM驱动电路采用图腾柱驱动电路，适合DC-DC电路对温度的精准控制。开关管选用IRF540，其最大击穿电压Vds=100V，最大漏极电流为Id=23A，导通阻值Rds=77mΩ，满足设计要求。

2.2 桥式测温测量电路的设计

PT100采用三线制接法，图2中R1、R2、R3和R4分别为电桥的桥臂，当R1×R3=R2×R4时，电桥平衡。电桥不平衡时a，b两点存在电压差，由电压差值可以计算出PT100的阻值。为避免PT100自身发热对测量的影响，通过PT100的电流不能超过2mA，因此a，b两点电压差很小，需经过LM358构成的两级差分放大器后，由单片机12位ADC采集电压信号。

铂热电阻的导线往往很长，由于PT100与导线电阻串联，增大了电阻值，会使测量误差非常大[4]。PT100三线制接法能有效消除导线误差。图2虚线部分，PT100导线电阻为r，桥臂电阻变为R1，R2，R3+2r，Rt+2r，电桥平衡时：R2×（Rt+2r）=R1×（R3+2r），整理得：Rt=R1R3/R2+2R1r/R2-2r，当R1=R2时，PT100导线的变化对测量结果没有影响[2]。所以，桥臂电阻采用高精密数字电阻。

3 系统软件设计

系统上电后，首先进行系统初始化，然后进行温度采样得到采样温度值adc_t并显示在液晶屏上，再判断是否有按键输入，若是，则更新温度预设值Set_t并显示；若无，则将温度预设值Set_t与采样温度值adc_t相减，并判断相减值是否大于5℃，若是，则全功率加热；若否，则判断相减值是否等于0℃，若等，则停止加热；若不等，则进行PID调节。

4 实验结果与分析

为验证提出的温度控制系统的正确性，在实验室制作了一台样机，负载为20Ω/50W滑动变阻器，测试结果如下：

系统温度采样精度测试，设定温度值与采样温度值相减得到误差值，系统温度测量相对偏差绝对值在±0.2℃内。

系统恒温测试，在预设温度值与采样温度值误差在±0.2℃，开始计时，温度系统温度稳定时间最长为3分钟。

5 结论

本文设计的基于PT100的温度控制系统，采用三线制铂热电阻电桥测温电路，很好的解决了PT100导线电阻带来的误差和PT100自身发热产生误差的问题；采用DC-DC电路实现了对温度的稳定控制。该系统0℃至80℃温度可调，温度测量精度在±0.2℃以内，控制恒温最长时间为3分钟。

参考文献

[1] 余兆明，李晓飞，陈春来.MPEG标准及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2002.

[2] 严长城，应贵平.基于PT100的铂热电阻的高精度测温系统的设计[J].机电工程技术， 2015， 44（3）：71-74.

[3] 刘健，庞兴龙.基于AT89S51的粮仓温度测控系统设计[J].制造业自动化，2012， 34（5）： 143-146.

[4] 刘刚，陈树新.基于STM32的铂热电阻桥式测温系统设计[J].自动化与仪表， 2014， （1）： 53-56.