基于78K0系列單片機(jī)和鉑電阻溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)

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（-200℃～650℃）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)

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(mén)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(kāi)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。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

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，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。

圖2 溫度測(cè)量電路原理圖

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)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)①的電壓大于節(jié)點(diǎn)②的電壓（因?yàn)榉糯箅娐肥菃坞娫?a target="_blank">供電的，不可能輸出負(fù)電壓），R1的值必須大于RT在溫度測(cè)量范圍內(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100kΩ，作為它的臨時(shí)計(jì)算初值；取R4=R5=100kΩ。

第三步，確定剩下的參數(shù)值R6、R7。

由于橋路的要求，R3=R2，R4～R7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)①和②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R1～R7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)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。

圖3 測(cè)溫電路參數(shù)選取程序流程圖

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)量電路進(jìn)行了誤差分析。當(dāng)電阻值精度取0.1%時(shí)，-30℃～40℃各個(gè)整數(shù)點(diǎn)的相對(duì)誤差見(jiàn)表1。

表1 電阻精度為0.1%時(shí)各溫度點(diǎn)的相對(duì)誤差

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(chēng)值和小于標(biāo)稱(chēng)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(jiàn)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

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(xiě)；上位機(jī)使用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)。

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(kāi)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(huà)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(kāi)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(kāi)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。

圖4 下位機(jī)程序流程圖

該測(cè)溫儀已經(jīng)投入生產(chǎn)，應(yīng)用在食品等生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的溫度監(jiān)控中。鉑電阻測(cè)溫電路的查表線性化的方法，自適應(yīng)調(diào)整選取了電路參數(shù)，減少了鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性以及不平衡電橋中非線性特性所引起的系統(tǒng)訪問(wèn)，使得系統(tǒng)誤差達(dá)到0.5級(jí)儀表的要求，提高了測(cè)溫儀的整體性能，可以滿足一些對(duì)溫度變化比較敏感的食品加工等場(chǎng)合的溫度監(jiān)控的需求。

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