鉑電阻測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、鉑電阻測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)日期：2005-11-29來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用 王小飛 袁 濤 張鐵冰字體：大 中 小 摘要：介紹了鉑電阻測(cè)溫儀的硬件及軟件設(shè)計(jì)，并針對(duì)不平衡電橋中以及鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性給溫度測(cè)量帶來(lái)一定的誤差這一缺點(diǎn)，給出一種查表線性化的方法，實(shí)現(xiàn)了電路參數(shù)的自適應(yīng)選取，使得誤差達(dá)到了0.5級(jí)儀表的要求。 關(guān)鍵詞：鉑電阻 查表線性化 測(cè)溫儀 參數(shù)自適應(yīng)鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測(cè)量準(zhǔn)確高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200650）范圍的溫度測(cè)量中。 但在這種檢測(cè)電路中，不平衡電橋中以及鉑電阻的阻值和溫度之

2、間的非線性特性給最后的溫度測(cè)量帶來(lái)了一定的誤差。早期通常采用硬件電路來(lái)減小這種誤差。但硬件法不但增加了電路的復(fù)雜性，而且由于包括傳感器在內(nèi)的各種硬件本身的缺陷和弱點(diǎn)，所以往往難以達(dá)到較高的指標(biāo)要求。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上引入與檢測(cè)技術(shù)直接相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，即軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化處理的要求，可以有效地提高系統(tǒng)的精度，降低成本。本測(cè)溫儀通過(guò)采用查表線性化得出溫度各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，并且利用軟件算法實(shí)現(xiàn)了電路中各參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整選取，在盡可能提高分辨率的情況下使設(shè)計(jì)的電路在給定的溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率近似相等，從而方便了硬件電路的設(shè)計(jì)和電阻的選取，也減小了鉑電阻測(cè)溫電路的非線性誤差。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3、測(cè)溫儀的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？紤]到功耗及整機(jī)的精度和價(jià)格等問(wèn)題，測(cè)溫儀的單片機(jī)控制器采用ENC的8位78K0系列單片機(jī)，并啟用了看門狗功能，以提高測(cè)溫義的抗干擾性能。測(cè)溫系統(tǒng)采用不平衡電橋測(cè)量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)中進(jìn)行處理和顯示。采集時(shí)顯示最值溫度，超過(guò)設(shè)定值則報(bào)警。本測(cè)溫儀通過(guò)USB接口與PC機(jī)連接，上位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置采集開始時(shí)間、采集間隔時(shí)間等參數(shù)，并讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)測(cè)溫儀的測(cè)溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，如圖2所示。該測(cè)溫儀的測(cè)溫電路采用軟件算法中的查表線性化方法，利用軟件算法對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整選取

4、，在保證高分辨率的情況下，使得在給定的溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率近似相等，誤差可達(dá)到0.5級(jí)儀表的要求，提高了測(cè)溫儀的整體性能。圖2中最后輸出的U5將被送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后由微處理器讀入再進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量電路的數(shù)字分析可以得出，U5和Us是完全成正比的。因此，在設(shè)計(jì)中將Us設(shè)為A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的參考電壓。這樣，即使Us有所變化，也不會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 由于將Us設(shè)為了參考電壓，為了最大化測(cè)量的分辨率，希望U5的輸出在溫度低限時(shí)向0V靠攏，而在溫度高限時(shí)向Us靠攏。這樣，首先存在的一個(gè)問(wèn)題便是運(yùn)算放大器的輸出問(wèn)題。通常，運(yùn)算放大器的輸出并不等于電源電壓，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)

5、飽和問(wèn)題，這樣便降低了整個(gè)電路的測(cè)量分辨率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用的是Rail-to-Rail的運(yùn)算放大器，即輸出上限可以達(dá)到電源電壓，而下降可以達(dá)到0V。這一點(diǎn)對(duì)于整個(gè)電路來(lái)講是非常關(guān)鍵的。下面具體介紹測(cè)溫電路參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整選取的設(shè)計(jì)過(guò)程。確定參數(shù)的原則是達(dá)到盡可能高的分辨率，以及盡量消除由于鉑電阻的強(qiáng)非線性帶來(lái)的各個(gè)溫度段分辨率的明顯差異。整個(gè)計(jì)算和賦值過(guò)程通過(guò)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第一步，通過(guò)輸入獲取溫度最大值和最小值，得出溫度的范圍。第二步，通過(guò)輸入獲取電阻R1、R2、R4的阻值。為了使節(jié)點(diǎn)的電壓大于節(jié)點(diǎn)的電壓（因?yàn)榉糯箅娐肥菃坞娫垂╇姷?，不可能輸出?fù)電壓），R1的值必須大于RT在溫度測(cè)量范圍

6、內(nèi)的最大值。同時(shí)，為了保證橋路的靈敏度，R1的值僅需稍微大于（或等于）RT的最大值即可。同時(shí)明確放大電路中的要求R4=R5、R6=R7，而且為了降低功耗，它們的取值通常都大于100k，作為它的臨時(shí)計(jì)算初值；取R4=R5=100k。第三步，確定剩下的參數(shù)值R6、R7。由于橋路的要求，R3=R2，R4R7的阻值比較大，這里可以忽略它們的影響來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和之間的電壓差（U12）的變化范圍，從而求出R6、R7的阻值（R4阻值乘以放大倍數(shù)K）。第四步，計(jì)算RT取最大值和最小值時(shí)刻電路的分辨率。由于此時(shí)已知R1R7的所有電阻阻值，因此可以計(jì)算出具備這些參數(shù)的電路的RT取最大值處的分辨率。例如當(dāng)溫度為-30時(shí)

7、RT取最大值，求出U5的值；然后查鉑電阻分度表得RT在-29時(shí)的電阻值，再次求出另一個(gè)U5的值，二者之間的絕對(duì)值即相對(duì)表示了該電路在此點(diǎn)的分辨率，差值越大，則分辨率越高。同理，可以求得該電路在RT最小值處的兩個(gè)輸出電壓U5之差。第五步，迭代取優(yōu)。迭代的目標(biāo)是盡量使得兩端（即RT取最大值和最小值時(shí)）的分辨率相同。如果二者不相同，則以一定的步長(zhǎng)增加R2，直到兩端的分辨率基本相同為止。這時(shí)便可以確定R2、R3和R6、R7的值了。最后，輸出電路各給定值以及得出的所有參數(shù)值和溫度各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值。用來(lái)確定測(cè)量電路中各參數(shù)的程序流程圖如圖3所示。為了給實(shí)際應(yīng)用中元器件值的選擇提供參考，對(duì)溫度測(cè)量電

8、路進(jìn)行了誤差分析。當(dāng)電阻值精度取0.1%時(shí)，-3040各個(gè)整數(shù)點(diǎn)的相對(duì)誤差見表1。表1 電阻精度為0.1%時(shí)各溫度點(diǎn)的相對(duì)誤差-30-20-100102030400.141%0.187%0.251%0.325%0.400%0.470%0.528%0.574%由于整個(gè)儀表的誤差是按照最大誤差來(lái)計(jì)算的，所以對(duì)于0.5級(jí)的儀表來(lái)講，這樣的誤差有些偏大了。但是由于0.1%的電阻精度已經(jīng)比較高了，因此單靠提高電阻精度來(lái)減小相對(duì)誤差已經(jīng)不太可能。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證一定的精度，可以對(duì)所使用的精度電阻進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，將電阻分為大于標(biāo)稱值和小于標(biāo)稱值兩組，使用時(shí)在某個(gè)系統(tǒng)中使用特定組中的電阻。這樣做實(shí)際上

9、是將電阻的精度提高了一倍，這時(shí)本系統(tǒng)在各個(gè)整數(shù)溫度點(diǎn)的系統(tǒng)相對(duì)誤差見表2。表2 使用經(jīng)過(guò)篩選的精度為0.1%的電阻時(shí)各溫度點(diǎn)的相對(duì)誤差-30-20-100102030400.076%0.100%0.134%0.172%0.209%0.242%0.267%0.287%可以看出，此時(shí)的誤差完全滿足0.5級(jí)儀表的要求，因此建議在實(shí)際生產(chǎn)中使用這樣的方法來(lái)提高儀表的整體性能。3 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)即PC端軟件和下位機(jī)即單片機(jī)模塊的軟件兩部分。下位機(jī)由于采用的是NEC的78K0系列單片機(jī)，因此編譯調(diào)試環(huán)境為NEC的Project Manager和ID78K0，程序均用NEC單片機(jī)的C語(yǔ)言編寫；

10、上位機(jī)使用Visual Basic語(yǔ)言編寫。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)初始參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)采集完以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及保存。測(cè)溫儀初始化時(shí)，需要和上位機(jī)連接，然后通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)確定測(cè)溫開始時(shí)間、測(cè)溫總時(shí)間、溫度報(bào)警最大值和最小值以及采樣間隔時(shí)間等參數(shù)；測(cè)溫儀完成一次參數(shù)采集后，可以將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)畫出溫度數(shù)據(jù)的波形，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PC機(jī)中。由于測(cè)溫儀外擴(kuò)了256K的EEPROM24C256，基本上可以滿足多次測(cè)溫的要求。下位機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度采集。首先用戶通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)設(shè)定溫度采集的開始時(shí)間、采集時(shí)間間隔以及報(bào)警溫度等各個(gè)參數(shù)，然后開始采集溫度數(shù)據(jù)。采集時(shí)顯示最值溫度，當(dāng)溫度超出報(bào)警溫度值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。下位機(jī)程序的流程圖如圖4所示。該測(cè)溫儀已