基于鉑電阻的數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

0 引言

在某企業(yè)開發(fā)的加工控制系統(tǒng)中， 溫度范圍是-100℃～600℃，測(cè)量誤差小于1％。針對(duì)本系統(tǒng)所需的溫度測(cè)量要求，選用了精度高的鉑電阻作為溫度傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換使用MSP430F149內(nèi)部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測(cè)量系統(tǒng)具有低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以擴(kuò)展成多路溫度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)所要求的測(cè)量范圍，選用的傳感器為鉑電阻PT100，Pt100的測(cè)量范圍是－200到850，從PT100的分度表可以計(jì)算出線性度為，無法達(dá)到測(cè)量精度的要求，所以需要一個(gè)線性補(bǔ)償?shù)男盘?hào)調(diào)理電路，線性補(bǔ)償電路通過采用XTR105芯片，通過溫度測(cè)量范圍匹配電阻，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。AD轉(zhuǎn)換用MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部12位分辨率的ADC。LCD是2行×16列的字符型液晶顯示器。系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

1.1 MSP430單片機(jī)

MSP430是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路I/O端口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8M的時(shí)鐘。對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷�片�?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內(nèi)，再由JTAG接口控制程序運(yùn)行、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)，以及存儲(chǔ)器內(nèi)容信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試，整個(gè)開發(fā)都可以在同一個(gè)軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

1.2 PT100溫度傳感器

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它可以通過物體隨溫度變化的某些特性(如電阻、電壓變化等特性)來間接測(cè)量，金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200～650℃)最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。PT100的溫度/電阻曲線如圖2所示。

按IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=O.003851，Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。TCR=(R100一R0)/(R0×100)。PT100與PT1000的標(biāo)準(zhǔn)阻值如表1所示。

溫度/電阻特性公式如下：

-200<0℃ Rt="R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

0<850℃ Rt="R0(1+At+Bt2]

其中Rt在t℃時(shí)的電阻值，R0在0℃時(shí)的電阻值

1.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于鉑電阻的溫度電阻特性具有線性度不好，在進(jìn)行線性補(bǔ)償時(shí)選用XTR105，鉑電阻線性補(bǔ)償電路如圖3所示。各個(gè)電阻的計(jì)算公式如下。

其中,RZ=RTD最小測(cè)量溫度，

RL選用時(shí)注意MSP430單片機(jī)ADC的參考電壓，ADC的參考電壓設(shè)置為外部電源電壓3.3V，采用150的低溫漂高精度電阻，RL的電壓范圍在0.6V到3V之間，RL可直接接MSP430的模擬信號(hào)輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。線性補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)中的電阻按照XTR105手冊(cè)提供的計(jì)算方法來確定，其中RZ為PT100在-100℃時(shí)的電阻(60Ω)，R2為600攝氏度時(shí)的電阻(314Ω)，R1=RTD Resistance at(-100+600)/2=194Ω，經(jīng)過公式計(jì)算，RG=581Ω，RLIN1=4.3kΩ。z

2 軟件設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)中使用C語(yǔ)言編程，使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)將會(huì)帶來一下幾點(diǎn)好處：1：可以大大提高軟件開發(fā)的工作效率；2：可以提高所設(shè)計(jì)的程序代碼的可靠性、可讀性、可移植性；3：設(shè)計(jì)者可以更多地集中在充分發(fā)揮MSP430的功能上。MSP430可以進(jìn)行多個(gè)模擬通道的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行ADC模塊設(shè)置時(shí)需要設(shè)置通道、參考電壓等相關(guān)寄存器，由于ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)值是2進(jìn)制的，轉(zhuǎn)換值送LCD顯示前要使轉(zhuǎn)換值變換成ASCII型數(shù)據(jù)，程序流程如圖3所示。

3 測(cè)試結(jié)果

完成硬件與軟件的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試。首先測(cè)試ADC的功能模塊，測(cè)試的方法采用高精度的可變電阻器替代鉑電阻PT100的阻值，根據(jù)鉑電阻PT100分度表調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)溫度的可變電阻的阻值，從-100℃到600℃區(qū)間取15個(gè)點(diǎn)，每50℃測(cè)試一次，記錄AD轉(zhuǎn)換值。溫度和轉(zhuǎn)換值進(jìn)行最小二乘法線性擬合，計(jì)算出線性度等測(cè)量系統(tǒng)的指標(biāo)。線性度計(jì)算結(jié)果為小于1％，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：

AD轉(zhuǎn)換功能調(diào)試結(jié)束后，對(duì)AD轉(zhuǎn)換值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使測(cè)量值準(zhǔn)確地顯示在LCD上。

4 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，此溫度測(cè)量系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)合理的信號(hào)調(diào)理電路，達(dá)到了一定的精度要求，并且具有穩(wěn)定可靠的性能，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。