基于鉑電阻的數(shù)字溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

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℃，測量誤差小于1％。針對本系統(tǒng)所需的溫度測量要求，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。溫度測量系統(tǒng)具有低功耗、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以擴(kuò)展成多路溫度測量等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計
    根據(jù)測試系統(tǒng)所要求的測量范圍，選用的傳感器為鉑電阻PT100，PT100的測量范圍是－200到850，從PT100的分度表可以計算出線性度為，無法達(dá)到測量精度的要求，所以需要一個線性補(bǔ)償?shù)男盘栒{(diào)理電路，線性補(bǔ)償電路通過采用XTR105芯片，通過溫度測量范圍匹配電阻，從而達(dá)到設(shè)計要求。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16位定時器、一個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路I／O端口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。對于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，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)，以及存儲器內(nèi)容信息供設(shè)計者調(diào)試，整個開發(fā)都可以在同一個軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式只需要一臺PC機(jī)和一個JTAG調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。
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器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計供計量和校準(zhǔn)使用。PT100的溫度／電阻曲線如圖2所示。

    按IEC751國際標(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<t<0℃ Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
    0<t<850℃ Rt=R0(1+At+Bt2]
    其中Rt在t℃時的電阻值，R0在0℃時的電阻值

1．3 信號調(diào)理電路設(shè)計
    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)償時選用XTR105，鉑電阻線性補(bǔ)償電路如圖3所示。各個電阻的計算公式如下。
    其中,RZ=RTD最小測量溫度，

    RL選用時注意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的模擬信號輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。線性補(bǔ)償電路設(shè)計中的電阻按照XTR105手冊提供的計算方法來確定，其中RZ為PT100在-100℃時的電阻(60Ω)，R2為600攝氏度時的電阻(314Ω)，R1=RTD Resistance at(-100+600)／2=194Ω，經(jīng)過公式計算，RG=581Ω，RLIN1=4.3kΩ。z

2 軟件設(shè)計
    在程序設(shè)計中使用C語言編程，使用C語言設(shè)計將會帶來一下幾點(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)計的程序代碼的可靠性、可讀性、可移植性；3：設(shè)計者可以更多地集中在充分發(fā)揮MSP430的功能上。MSP430可以進(jìn)行多個模擬通道的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行ADC模塊設(shè)置時需要設(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 測試結(jié)果
    完成硬件與軟件的設(shè)計后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試。首先測試ADC的功能模塊，測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)對應(yīng)溫度的可變電阻的阻值，從-100℃到600℃區(qū)間取15個點(diǎn)，每50℃測試一次，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，計算出線性度等測量系統(tǒng)的指標(biāo)。線性度計算結(jié)果為小于1％，測量數(shù)據(jù)如下：

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

4 結(jié)論
    測試結(jié)果表明，此溫度測量系統(tǒng)通過設(shè)計合理的信號調(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)計結(jié)構(gòu)簡單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。