鉑電阻溫度儀的研制

摘要：介紹一種基于AT89C52單片機(jī)開發(fā)的PT100鉑電阻溫度儀，著重介紹溫度值的求解方法。
關(guān)鍵詞：溫度儀；鉑電阻；AT89C52；ICL7135

0 引言
    用鉑電阻測溫時(shí)，由于鉑電阻的阻值與溫度成非線性關(guān)系，常用硬件電路對(duì)其進(jìn)行線性補(bǔ)償，這不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了測量精度。我們分析鉑電阻阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系，建立溫度與電阻值的二次方程，通過求解二次方程的根，計(jì)算出被測溫度值，此方法調(diào)試簡單、精度高。

1 數(shù)學(xué)模型
    我們研究的溫度測量范圍為-50℃～200℃，精度要求±0．2℃。選用PT100鉑電阻溫度傳感器(TCR=0．003851)，鉑電阻采用恒流供電，如圖1。Pt100鉑電阻的阻值與溫度函數(shù)關(guān)系如下：
   
    式中，A=3．9083E-3；B=-5．775E-7；C=4．813E-12。

    在測量溫度范圍內(nèi)，參數(shù)C對(duì)電阻值的影響甚微，故將-200℃<t<0℃時(shí)的函數(shù)歸一為R(t)=R0(1+At+Bt2)。
    以圖1為研究對(duì)象，放大器輸出電壓為：
   
   
    我們?cè)O(shè)計(jì)的溫度計(jì)測量最大值為200℃，根據(jù)R(0)=100 Ω，R(200)=175．86 Ω，只要保證t=200℃時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器不溢出，就可先將D0確定為定值，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)K來得到t=0℃時(shí)A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量值，不妨令D0等于10000。根據(jù)式(7)，只要知道了D0，就可通過A／D轉(zhuǎn)換器的采樣值計(jì)算出溫度。

2 硬件電路
    系統(tǒng)的硬件主要由TL431恒流電路、AD620增益調(diào)節(jié)電路、ICL7135 A／D轉(zhuǎn)換器、AT89C52單片機(jī)、MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)、MAX232通信電路等組成，其框圖如圖2所示。

2．1 信號(hào)處理單元
    原理圖如圖3所示。

    鉑電阻溫度傳感器采用四線制工作方式。TL431的溫漂為50ppm／℃，由TL431組成精密恒流電路，對(duì)鉑電阻恒流供電，工作電流為I=2.5V ／R4=1．04mA；放大器選用AD620儀用放大器，其溫度漂移為0．3 μV／℃；R6、C4組成一階低通濾波，濾除工頻干擾，整個(gè)電路的增益通過W1調(diào)節(jié)。
    為了獲得足夠的溫度分辨率，A／D轉(zhuǎn)換器選用ICL7135，精度為4位半，ICL7135的時(shí)鐘信號(hào)由AT89C52的ALE引腳16分頻得到，頻率為115．2kHz。
2．2 數(shù)據(jù)處理單元
    AT89C52是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，為大家所熟悉，在本系統(tǒng)中，其工作頻率為11．0592MHz。MAX7219是MAXIM公司生產(chǎn)的LED驅(qū)動(dòng)芯片，可驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管，用它來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中，用它驅(qū)動(dòng)4位LED數(shù)碼管顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件的核心是如何計(jì)算關(guān)系式(9)。
    將參數(shù)代入，并令D0=10000，化簡關(guān)系式(9)，得：
   
    其中：X=3．3838E3； Y=1．31 81 8E7；Z=-1．7316E2
    由式(10)可以方便地計(jì)算出被測溫度值。
    在程序設(shè)計(jì)中，采用Keil uVision2軟件編程，系統(tǒng)軟件為模塊化結(jié)構(gòu)。溫度計(jì)算模塊設(shè)計(jì)成子程序，函數(shù)輸入量為A／D轉(zhuǎn)換器的采樣值。代碼如下：
   

4 總結(jié)
    本文提出的鉑電阻溫度值求解法，可方便地計(jì)算鉑電阻溫度，其精度與鉑電阻的R0值和工作電流無關(guān)，只與電路的穩(wěn)定性相關(guān)。要得到足夠的測量精度，需選擇14位以上的A／D轉(zhuǎn)換器。