《電子技術(shù)應(yīng)用》
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太陽能熱水器溫度采集系統(tǒng)與實驗研究
摘要: 太陽能熱水器以其安全,、經(jīng)濟,、適用、無污染等特點逐漸被城鄉(xiāng)居民所接受,,而其溫度采集系統(tǒng)又是設(shè)計的關(guān)鍵。常用的溫度傳感器包括:熱電偶,、熱敏電阻,、集成式溫度傳感器,熱電阻等,。由于鉑電阻在氧化介質(zhì)和高溫下的物理化學(xué)性能極其穩(wěn)定,,而且太陽能熱水器置于室外,工作環(huán)境惡劣,,所以本設(shè)計采用鉑電阻作為太陽能熱水器的溫度傳感器,。
Abstract:
Key words :
  太陽能熱水器以其安全、經(jīng)濟,、適用,、無污染等特點逐漸被城鄉(xiāng)居民所接受,而其溫度采集系統(tǒng)又是設(shè)計的關(guān)鍵,。常用的溫度傳感器包括:熱電偶,、熱敏電阻、集成式溫度傳感器,,熱電阻等,。由于鉑電阻在氧化介質(zhì)和高溫下的物理化學(xué)性能極其穩(wěn)定,而且太陽能熱水器置于室外,,工作環(huán)境惡劣,,所以本設(shè)計采用鉑電阻作為太陽能熱水器的溫度傳感器

  1 系統(tǒng)工作原理

  由于太陽能熱水器的工作環(huán)境限制,,將下位機(PIC16F877)置于集熱現(xiàn)場,,主要實現(xiàn)溫度采集功能,溫差循環(huán)控制功能,,即控制循環(huán)泵,、上水閥、輔助電加熱器,、伴熱帶的啟停,,并與上位機(PIC16F877)進行485通信,,將采集的溫度水位信息送到上位機去顯示。

  系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示,。

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  2 硬件電路設(shè)計

  溫度采集處理電路的主要功能是將鉑電阻傳感器采集的溫度信號,,經(jīng)橋式信號檢測電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,再經(jīng)弱信號儀表放大器MCP602進行兩級放大,,及非線性A/D轉(zhuǎn)換,,轉(zhuǎn)換成能夠識別的數(shù)字量,暫存在單片機的存儲器中,。

  2.1 溫度采集電路設(shè)計

  溫度采集電路是將單片機的RA2,、RA3、RA4連接多路選擇芯片CD4051的地址位A,、B,、C端口,由單片機設(shè)定采集哪一路溫度信息,,將RA0設(shè)定為模擬通道,。

  2.2 放大倍數(shù)的計算

  本設(shè)計放大電路選用MCP602作為放大器,由其構(gòu)成的放大電路圖如圖2所示,。其中:VREF=0 V,,R1=300 kΩ,R2=10 kΩ,,這是一個簡單的2級放大電路,,通過調(diào)節(jié)可變電阻RG可以改變其放大倍數(shù),便于以后的調(diào)試,。兩級放大后的輸出電壓VOUT:

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  通過電橋電路采集來的信號比較微弱,,需要進行適當(dāng)?shù)姆糯螅拍苻D(zhuǎn)換成單片機所能識別的0 V到5 V的信號,。為此,,要合理地設(shè)定可變電阻RG的值來選擇合適的放大倍數(shù)。選擇過程如下:

  當(dāng)RG=20 kΩ,,放大倍數(shù)約為61倍,。在溫度T=99℃時,PT1000的阻值為R=1381.26Ω,,則得到VOUT=2.806 V,。盡管VOUT在界限0~5 V之內(nèi),但靈敏度較小,,故將RG調(diào)整到10 kΩ,。

  當(dāng)RG=10 kΩ,放大倍數(shù)為91倍,。在溫度T=99℃時,,PT1000的阻值為R=1381.26Ω時:VOUT=4.186 V,。此時,在0~99℃溫度范圍內(nèi)電橋的輸出是0~4.186 V,,VOUT在0~5 V范圍內(nèi),,符合設(shè)計要求。因此設(shè)計中選擇尺RG=10 kΩ,,放大倍數(shù)為91倍,。

  2.3 溫度測量中的誤差分析及解決辦法

  當(dāng)用鉑電阻傳感器進行溫度測量時,存在一定的誤差,。它的誤差主要有4個來源:鉑電阻自身的非線性,;鉑電阻電橋輸出的非線性;鉑電阻的引線電阻,;測溫電路本身帶來的影響,。

  1)鉑電阻的非線性

  對于鉑電阻PT1000,在0~650℃溫度范圍內(nèi)其阻值與溫度的關(guān)系為:

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  式中,,Rt-溫度為t℃時的電阻值;R0-溫度為0℃時的電阻值,;A=3.908x10-3℃-1,;B=-5.802x10-7℃-2。

  由式(1)可知,,鉑電阻阻值與溫度并不是線性關(guān)系,,而是一個上凸的曲線,如圖3所示,。若只計線性項,,上式變?yōu)椋?/p>

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  此時,鉑電阻阻值與溫度是線性關(guān)系,。在100℃時,,若只記線性值Rt*=1 390.8 Ω,而R1=1 385.0Ω,,絕對值誤差為5.8Ω,,相對誤差為4.2%,回代到式(2)中,,溫度誤差超過1.4℃,。顯然鉑電阻的非線性給測量帶來了誤差。

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  2)鉑電阻電橋輸出的非線性

  鉑電阻典型應(yīng)用電路如圖4所示,。圖中R3為鉑電阻的阻值,,g.JPG(其中h.JPG為鉑電阻在0℃時的阻值),R1=R2=39 kΩ,。

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  則輸出電壓△U等于:

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  3)鉑電阻的引線電阻

  因為測溫電路是不平衡電橋,。鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻,,其連接導(dǎo)線(從鉑電阻到控制單元)也作為橋臂電阻的一部分,這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,,造成測量誤差,。但由于鉑電阻PT1000的阻值較大,所以這個因素可以忽略,。

  4)測溫電路本身的影響

  由于電源電壓的抖動,、外界于擾,AD通道的互相干擾等都會造成溫度測量的不確定性,,因此必須通過合理的電路設(shè)計才能消除這些因素的影響,。

  考慮到鉑電阻阻值和溫度的非線性以及電橋電路本身的非線性,本文提出兩種方案,,下面分別加以介紹,。

  方案1:查表法

  由鉑電阻的電阻-溫度分度表查出每一度對應(yīng)的電阻值Ri,帶入式(3)中可以得到電橋?qū)?yīng)的輸出電壓△U(i),,再根據(jù)式(4)就可以得到對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值A(chǔ)D(i),。

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  式中,K為MCP602的放大倍數(shù),。本文選擇91,。UREF為單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓,等于5 V,。

  將計算得到的A/D轉(zhuǎn)換值是按照溫度大小做成表格存放在單片機的存儲器中,。當(dāng)測量溫度時,先讀取A/D轉(zhuǎn)換值,,然后采用對分查找的算法用單片機的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果AD(t)與EEPROM中存放的表格值A(chǔ)D(i)作比較,,每次取表格的中間值A(chǔ)D(m),如果AD(t)>AD(m),,則下次比較時取表格的后半部的中間值做比較,,如果AD(t)  方案2:最小二乘法

  由于鉑電阻阻值和溫度的非線性以及電橋電路本身的非線性,,使得溫度和電橋輸出電壓之間的關(guān)系變得很復(fù)雜,而且也沒有一個相應(yīng)的函數(shù)來描述它們之間的關(guān)系,,下面就介紹最小二乘法,,利用最小二乘參數(shù)估計理論來建立溫度傳感器數(shù)學(xué)模型

  對太陽能熱水器的水箱溫度在標(biāo)定點進行溫度實測(可用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱或電位器來模擬鉑電阻在各個標(biāo)定點實測),,得到幾組數(shù)據(jù),,即(V1,T1),,…(Vi,,Ti),…(Vn,,Tn),。其中輸入量為電橋輸出電壓Vi,輸出量為溫度Ti,。

  設(shè)有一個m次多項式:

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  根據(jù)最小二乘法原理,使得在所有給定標(biāo)定點,,多項式T(Vi)的值與實測輸出值Ti的偏差平方和達到最小值,,即    

m.JPG

  由此可以建立m+1個方程組,求解出a0,,a1,,…,am未知量,,確定出多項式T(Vi)的表達式,。

  求解方程組用矩陣分析方法,得到參數(shù)向量為

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  求解采用計算機遞推法求解,,先設(shè)m=1,,將測量值帶入矩陣公式中計算A。逐點計算誤差△i=Ti-T(Vi),,看是否超差,,如果超差則升階,令m=2,,重新計算A,,直到不超差為止,,此時多項式模型即為傳感器數(shù)學(xué)模型。

  此方法的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)所建立的數(shù)學(xué)模型整體優(yōu)化,,適合非線性較大的傳感器模型的建立,。但應(yīng)用于本文時需要擬合出高階的數(shù)學(xué)模型,其運算量較大,。另外,,在以主頻為4MHz的單片機上做運算,其速度較慢(多次加,、乘運算),,所以本文采用方案1。

  3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

  溫度采集處理的軟件流程如圖5所示,,其中包括了啟動溫度電路,、寄存器的配置、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出,、查找得溫度等部分,。首先進行A/D初始化設(shè)置,將點電源電壓VCC作為比較電壓,,同時設(shè)定RA0作為模擬輸入通道,,開啟入水口溫度采樣通道之后,啟動A/D轉(zhuǎn)換,。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換允許位GO/DONE=1時,,將得到的采樣值送入到折半查找程序中,得出其溫度的整數(shù)部分M(t),,從而求出溫度t的數(shù)值,。計算完畢后返回。

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  4 實驗結(jié)果與討論

  使用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱模擬鉑電阻溫度傳感器,,每一個電阻值對應(yīng)著一個溫度,,構(gòu)成測溫電橋的橋臂,得到差動電壓,,通過萬用表測量,。經(jīng)過MCP602放大后,送入單片機進行A/D轉(zhuǎn)換,。由于單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換是十位的,,因此分別存儲在寄存器ADRSEH和ADRSEL中,再通過對分查表法,,將對應(yīng)的溫度值事先在觸摸屏上顯示出來,。采集的溫度和實際的溫度對照如表1所示。

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  由表可知,在10~80℃溫度范圍內(nèi),,溫度測量的誤差最大是±1℃,。能夠滿足太陽能熱水器的采暖和洗浴的要求。

  5 結(jié)論

  本設(shè)計采用鉑電阻作為太陽能熱水器的溫度傳感器,。實際研究結(jié)果表明,,該傳感器和以往的類似傳感器相比溫度控制精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點,,提高了我國太陽能應(yīng)用領(lǐng)域控制水平,。

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