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。