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帶有M5Stack和PT100的溫度監控器
帶有M5Stack和PT100的溫度監控器
PT100探頭是鉑電阻溫度計，在0°C的溫度下的標稱電阻為100Ω。其功能受IEC 751（EN 60751）標準的調節。這種類型的溫度傳感器稱為“電阻溫度檢測器”（RTD）。我們將使用M5Stack系統創建一個簡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電阻溫度計已在實驗室或工業應用中用于測量溫度已有多年歷史（見圖1）。）。Pt100是最常見的型號，但市場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鍵的工業應用中。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之間的環境中運行，響應和特性曲線幾乎是線性的，持續時間實際上是無限的，并且具有非常高的精度。在本項目中，我們將使用兩線制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適于發展的IoT的應用（見開發套件圖2）。它是開源的，并且與Arduino兼容。它可以用來輕松創建各種應用程序。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站上找到。M5Stack可以使用Arduino IDE進行編程，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。一個系統解決方案可能是將該表的所有值存儲在一個數組中，然后通過歐姆定律進行簡單計算即可找到正確的溫度值。顯然，在程序源中插入1000多個值可能有點乏味和累人。
圖3：符合IEC 751的PT100溫度計的校準表
因此，另一個好的解決方案是依靠一個數學方程式，該方程式描述設備的電阻與檢測到的溫度之間的（相當線性）關系。一個很好的方程式如圖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簡單的電阻分壓器上的電壓檢測，該電阻分壓器由兩個電阻組成：一個在底部由PT100傳感器代表，一個在頂部由一個精密電阻代表。圖6顯示了原理圖。溫度變化會導致PT100的電阻發生變化，從而導致PT100兩端的電壓發生變化。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，因為中心點的電氣偏移較高，因此電阻值較高。通過一些SPICE指令，還可以使用最重要的電子軟件來模擬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
本文旨在創建一個介于-10°C和+ 60°C之間的簡單溫度測量系統，該系統的工作范圍非常短（請參見圖7中的對應表）。因此，我們可以為這組值采用一個適應的公式。
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，執行曲線擬合并計算兩個不同的方程式非常簡單：第一個是線性的，第二個是二次多項式，如圖8的曲線所示，以及所選時間間隔內PT100的特性圖。第一個方程的R ^ 2為0.999992，而第二個方程的R ^ 2為1。
圖8：在-10°C至+ 60°C范圍內的PTC圖，使用兩個方程式來計算溫度。
在圖9中，我們通過在瞬態中執行仿真來觀察電路輸出電壓的曲線，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一個簡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行調整。
連接和連接：接線圖
為了創建一個簡單而初步的項目，我們決定通過將熱探針通過電阻分壓器直接連接到M5Stack系統來限制電路的復雜性，如圖10的接線圖所示。不幸的是，使用2線制連接時，電纜的電阻會作為誤差添加到實際測量中。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，可以在負載上并聯插入一個小電容器。
圖10：溫度計與PT100的接線
素描
源代碼清單非常簡單，并且構成了可以根據程序員的需求進行修改的主要基礎。您會發現本文附帶的草圖。通常，它執行以下步驟：
包括圖書館；
超采樣定義；
變量聲明；
M5Stack模塊的初始化；
屏幕清潔和網格設計；
采集過采樣電壓；
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，它消失并且顯示重新開始。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。可以使用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，以及創建使溫度傳感器響應呈線性的算法。
圖11：PT100測量變壓器的熱性能
本文分析的溫度計非常簡單，但顯然精度不高。要創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行校正的問題，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，無論采用哪種解決方案，只有使用4線連接的PT100才能實現最高的測量精度。本文介紹的一個項目是一個通用的基礎項目，可從此項目開始構建更復雜的系統。