基于单片机热敏电阻PT100温度控制系统设计

介绍

PT100 是一种高精度的铂电阻温度传感器，具有良好的线性度和重复性。基于单片机的温度控制系统利用 PT100 传感器检测环境温度，并通过算法调节加热或冷却设备来实现温度控制。

应用使用场景

• 工业自动化：在制造业中，用于监控和控制设备温度，以确保产品质量和设备安全。
• 家庭智能设备：如智能空调、智能冰箱等，通过监测温度进行相应的调整。
• 汽车行业：用于发动机温度监测和控制，提高燃油效率和安全性能。
• 医疗设备：如恒温箱、孵化器中需要严格的温度控制。

以下是各个领域的代码示例，这些示例展示了如何在不同场景中使用温度传感器进行监测和控制。

工业自动化

在制造业中，温度监控对于确保产品质量和设备安全至关重要。以下示例使用Python和Adafruit_DHT库来读取DHT温度传感器的数据，并根据温度值控制加热或冷却系统。

import Adafruit_DHT
import RPi.GPIO as GPIO

SENSOR = Adafruit_DHT.DHT22
PIN = 4  # DHT22接在GPIO4端口
HEATER_PIN = 17
COOLER_PIN = 18

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(HEATER_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(COOLER_PIN, GPIO.OUT)

def control_temperature():
    humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(SENSOR, PIN)
    if temperature:
        if temperature < 20:  # 温度低于20度时开启加热器
            GPIO.output(HEATER_PIN, GPIO.HIGH)
            GPIO.output(COOLER_PIN, GPIO.LOW)
        elif temperature > 30:  # 温度高于30度时开启冷却器
            GPIO.output(HEATER_PIN, GPIO.LOW)
            GPIO.output(COOLER_PIN, GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(HEATER_PIN, GPIO.LOW)
            GPIO.output(COOLER_PIN, GPIO.LOW)
        print(f'Temperature: {temperature:.2f}C')
    else:
        print('Failed to get reading. Try again!')

try:
    while True:
        control_temperature()
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    GPIO.cleanup()

家庭智能设备

以下示例展示了如何在智能空调上使用温度传感器来调整温度设置。

class SmartAirConditioner:
    def __init__(self, desired_temp):
        self.desired_temp = desired_temp

    def read_temperature(self):
        # 模拟读取温度传感器
        import random
        return random.uniform(15, 35)

    def adjust_temperature(self):
        current_temp = self.read_temperature()
        if current_temp < self.desired_temp - 1:
            self.heat()
        elif current_temp > self.desired_temp + 1:
            self.cool()
        print(f'Current Temperature: {current_temp:.2f}C')

    def heat(self):
        print("Heating...")

    def cool(self):
        print("Cooling...")

smart_ac = SmartAirConditioner(desired_temp=24)
smart_ac.adjust_temperature()

汽车行业

以下示例展示了如何在汽车中监测发动机温度并采取相应措施。

class CarEngine:
    def __init__(self):
        self.temperature = 75  # 假设初始温度为75度

    def read_engine_temp(self):
        # 模拟读取温度传感器
        import random
        self.temperature += random.uniform(-5, 5)
        return self.temperature

    def monitor_temperature(self):
        temp = self.read_engine_temp()
        if temp > 90:
            self.activate_cooling_system()
        elif temp < 70:
            self.deactivate_cooling_system()
        print(f'Engine Temperature: {temp:.2f}C')

    def activate_cooling_system(self):
        print("Activating cooling system...")

    def deactivate_cooling_system(self):
        print("Deactivating cooling system...")

car = CarEngine()
car.monitor_temperature()

医疗设备

以下示例展示了如何在医疗设备如恒温箱中进行温度控制。

class Incubator:
    def __init__(self, target_temp):
        self.target_temp = target_temp

    def read_temperature(self):
        # 模拟读取温度传感器
        import random
        return random.uniform(30, 40)

    def control_temperature(self):
        current_temp = self.read_temperature()
        if current_temp < self.target_temp:
            self.heat()
        elif current_temp > self.target_temp:
            self.cool()
        print(f'Incubator Temperature: {current_temp:.2f}C')

    def heat(self):
        print("Heating incubator...")

    def cool(self):
        print("Cooling incubator...")

incubator = Incubator(target_temp=37)
incubator.control_temperature()

原理解释

工作原理

PT100 是一种电阻随温度变化的传感器，其电阻值在0℃时为100Ω。当温度升高时，PT100 的电阻值也会增加。通过测量 PT100 电阻的变化，可以准确地获取当前温度。

测量原理

使用惠斯通电桥电路或者专用的 ADC 芯片将 PT100 的电阻转换为电压信号，再通过单片机的 ADC 将模拟电压信号转换为数字信号，经过计算得出温度值。

控制原理

根据设定的目标温度和当前温度，通过 PID 算法等控制方法调节加热或冷却设备。

算法原理流程图

算法原理解释

• 初始化阶段：配置单片机的 ADC 和 PT100 传感器。
• 读取温度：通过 ADC 获取 PT100 的电压信号，并转换为当前温度值。
• 控制过程：比较当前温度和目标温度，如果不在目标范围内，根据情况启动加热或冷却设备。
• 循环执行：该过程不断循环，实时监测并调节温度。

实际详细应用

材料列表

• PT100 温度传感器
• 单片机（如 STM32 或 Arduino）
• ADC 模块（如果单片机自带 ADC，可省略）
• 加热元件或冷却风扇
• 电源模块和连接线
• 显示屏（可选）

代码示例实现

主程序

#include <Arduino.h>

// PT100引脚定义
const int pt100Pin = A0;

// 温度目标值
float targetTemperature = 25.0;

// PID参数
float Kp = 1.0, Ki = 0.1, Kd = 0.01;
float previousError = 0.0;
float integral = 0.0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(pt100Pin, INPUT);
}

float readTemperature() {
  int adcValue = analogRead(pt100Pin);
  float voltage = (adcValue / 1024.0) * 5.0;
  // 简单线性关系假设
  float resistance = (voltage * 100) / (5 - voltage); 
  return (resistance - 100) / 0.385; // 假设校准公式
}

void controlTemperature(float currentTemp) {
  float error = targetTemperature - currentTemp;
  integral += error;
  float derivative = error - previousError;
  float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;

  if (output > 0) {
    // 打开加热设备
    digitalWrite(HEATER_PIN, HIGH);
    digitalWrite(COOLER_PIN, LOW);
  } else {
    // 打开冷却设备
    digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);
    digitalWrite(COOLER_PIN, HIGH);
  }

  previousError = error;
}

void loop() {
  float currentTemp = readTemperature();
  Serial.print("Current Temperature: ");
  Serial.println(currentTemp);
  controlTemperature(currentTemp);
  delay(1000); // 每秒钟检查一次温度
}

测试代码

在搭建好硬件连接后，上述代码可以直接上传到 Arduino 中进行测试。观察串口输出的温度以及加热/冷却设备的反应。

部署场景

部署在具体应用场景中，如工业生产线上，需要将所有部件固定在合适的位置，并确保电源和信号线稳定连接。可以增加外壳保护以防止损坏。

总结

通过基于单片机和 PT100 传感器的温度控制系统，可以实现高精度的温度监测和控制，广泛应用于工业、家居、汽车和医疗等领域。

未来展望

随着物联网技术的发展，未来的温度控制系统将更加智能化和网络化。可以通过无线通信和云平台，实现远程监控和控制，同时结合大数据分析和机器学习模型，进一步提升系统的响应速度和精准度。