基于動態(tài)跟蹤的消除系統(tǒng)溫漂和時漂的解決方案

1 系統(tǒng)組成概述
　　用于檢測潤滑制劑運動粘度的水浴溫度測控儀，以MCS-51系列的AT89C51為核心，構(gòu)成1個單片機測控系統(tǒng)，完成溫度檢測、溫度顯示、數(shù)據(jù)處理及輸出控制。溫控儀可巡回檢測三路溫度信號，分別對應(yīng)3個檢測點。由鉑電阻溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換，傳送至主機AT89C51進行處理，然后由帶有高速串行接口的8位LED控制驅(qū)動器PS7219實現(xiàn)溫度顯示。同時，主機將檢測到的溫度信號與設(shè)定溫度值進行比較，輸出控制信號，控制繼電器的閉合。本系統(tǒng)中89C51的P0口作為與A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)接口，采用查詢法讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，而P1口、P2口、P3口除用作特殊功能均可作為可編程的輸入輸出線，無地址總線。這主要是因為AT89C51內(nèi)部帶有4 KB的程序存儲器，源程序均在芯片內(nèi)部，無需外部擴展程序存儲器[1-2]，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

2 動態(tài)實時跟蹤解決系統(tǒng)時漂和溫漂的方法
　　在硬件上，鉑電阻測溫電路和調(diào)理電路的好壞是關(guān)系到整個系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的最關(guān)鍵性因素。本文采用恒流源、多路模擬開關(guān)和測量放大器AD620實現(xiàn)的鉑電阻溫度傳感器的調(diào)理電路，在設(shè)計過程中嘗試了兩種方案，通過理論分析和實際測量結(jié)果的比較，最終選用了如下方案，其電路圖如圖2所示。

　　 此方案采用1片8通道多路模擬開關(guān)CD4051、2片雙路4通道多路模擬開關(guān)CD4052和2片測量放大器AD620，R=100 Ω(調(diào)零電阻)。R2~R7=10 Ω，用以消除地端干擾。多路模擬開關(guān)CD4051的通道選擇是通過A(P1.4)、B(P1.5)和C(P1.7)控制的。當(dāng)P1.4=0，P1.5=0，P1.7=0時，通道1選通，恒流源的電流I通過鉑電阻RA，同時鉑電阻兩端的電壓通過第2片CD4052以差模的形式取出并送入AD620，經(jīng)兩級放大后送到A/D，避免了共模干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[3]。　　

　　對于溫度測控系統(tǒng)，傳感器的調(diào)理電路對整個系統(tǒng)的精度起著至關(guān)重要的作用。在該系統(tǒng)中，恒流源、基準電壓源和放大器分別存在著不同的時漂和溫漂，即便是在選用的器件比較好的情況下，這種漂移很小，但由于系統(tǒng)要長時間工作，這種日積月累的影響也不能夠忽略不計。因此在上述基礎(chǔ)上增加了2個精密標準電阻，通過它們來動態(tài)實時跟蹤恒流源的電流、基準電壓源的電壓和放大器的放大倍數(shù)變化，去除了漂移對測量結(jié)果的影響[4]，鉑電阻調(diào)理電路如圖2所示。
　   在硬件基礎(chǔ)上，此方案的實時跟蹤是通過軟件方法來實現(xiàn)的，具體方法是首先控制多路模擬開關(guān)，依次選通標準電阻R₁，R₀，則A/D所對應(yīng)的電壓輸出分別為V_out1，V_out0。設(shè)恒流源的電流為I，2個放大器的放大倍數(shù)分別為K₁和K₂，放大器反相輸入端基準電壓源的電壓為V-。則有：

3 系統(tǒng)工作穩(wěn)定性測試
　　為了驗證此方案的可行性，在系統(tǒng)連續(xù)運行不關(guān)機的情況下，實際測得了1組數(shù)據(jù)，為了防止鉑電阻阻值隨環(huán)境溫度變化對測試結(jié)果的影響，僅驗證調(diào)理電路的好壞，所以用1個150 Ω的可調(diào)電阻代替鉑電阻，在100~150 Ω范圍內(nèi)模擬鉑電阻，由對應(yīng)的1組阻值實測出1組相對應(yīng)的溫度值。在此僅以其中的1路溫度信號來說明，如表1所示。

　　由表1中的數(shù)據(jù)用最小二乘法求出鉑電阻阻值R與實測溫度值t之間的關(guān)系式。將測量數(shù)據(jù)列表進行處理，如表2所示。

　　設(shè)R=R₀+A×t，應(yīng)用最小二乘法原理求取回歸參數(shù)R₀，A，可得：
　　　   

　　由以上分析可知，采用此方案提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和抗干擾能力；同時還提高了元器件之間的互換性，即便是同種型號的元器件的參數(shù)值也并不是完全一致的。而采用這種動態(tài)實時跟蹤元器件參數(shù)值的方法，則有效地解除了元器件之間參數(shù)值不一致的問題[6]。
　　信號檢測傳感器調(diào)理電路是關(guān)系到整個系統(tǒng)精度的重要環(huán)節(jié)，因此，本方案雖然是以犧牲硬件資源的代價來改善系統(tǒng)的抗干擾性能和精度，但考慮到現(xiàn)場干擾極大、環(huán)境惡劣的情況下，與其他方案比較起來，顯然是可取的。