基于AD7799的熱敏電阻高精度測溫系統(tǒng)

在海洋調(diào)查中，對于溫度參數(shù)的獲取存在環(huán)境因素上的特殊性。由于海洋中水團邊界相互疊置，同時不同水層有溫度梯度等，要求系統(tǒng)具有高靈敏度；在海水的剖面測量中，當(dāng)在運動的載體上測溫(如投棄式CTD等)時，就要求系統(tǒng)傳感器有足夠的時間常數(shù)；而在海洋的一定深度下，溫度的差別微乎其微，系統(tǒng)必須具有很高的精度。本系統(tǒng)中，主要選用24位的AD7799和NTC(負(fù)溫度系數(shù))玻封熱敏電阻，實現(xiàn)了對溫度的快速、高靈敏度和高精度測量。

1 高精度測溫系統(tǒng)組成
    該測溫系統(tǒng)是“投棄式溫鹽深海流剖面測量系統(tǒng)”的測溫部分，采用MSP430為MCU，精密的基準(zhǔn)電壓模塊為A／D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，同時也為熱敏電阻電橋提供激勵源，AD7799的第3通道為測溫通道，其余2通道用于測量其他參數(shù)。MCU將采集的數(shù)據(jù)通過RS485發(fā)送給工作站。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 高精度測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 AD7799及其應(yīng)用
    系統(tǒng)的測溫分辨力及精度主要取決于A／D轉(zhuǎn)換單元，這里選用高精度、寬動態(tài)范圍、3通道24位△-∑型AD7799，該器件有完整的模擬前端，可直接測量傳感器輸出的微弱信號，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位無誤碼，采用三線串行口與MCU連接。AD7799具有以下特點：內(nèi)置1～128增益的低噪聲可編程儀表放大器；4．17～470 Hz的可編程輸出數(shù)據(jù)速率；3個差分輸入通道；50 Hz和60 Hz同步陷波，消除工頻電源干擾；極低的均方根(RMS)噪聲；低功耗；采用16引腳TSSOP封裝，如圖2為AD7799的引腳配置。

    設(shè)計中AD7799通過SPI串行接口與MSP430單片機連接，通過軟件設(shè)置其第3通道為測溫通道，轉(zhuǎn)換頻率為50Hz，內(nèi)部增益為2可達(dá)到滿意的測量效果。
    AD7799是一個高精度A／D轉(zhuǎn)換器，為達(dá)到理想的使用效果，在具體設(shè)計中需要注意：A／D模擬輸入端一般在緩沖器模式，以增加A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，減少信號源內(nèi)阻對結(jié)果的影響；輸入端最好采用全差分模式，避免AIN-接地，減少地線噪聲干擾；差分信號線要短且對稱；數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開，避免相互交疊；信號線盡可能走焊盤面；AD7799的GND引腳和REFN-均與模擬地相連，數(shù)字地和模擬地應(yīng)在同一點相連，AD7799位于這個連接點的上方；數(shù)字電源、模擬電源和參考電源相互隔離，并且都要用10μF鉭電容和0．1μ斗F瓷片電容去耦，電容盡量靠近電源引腳。
2．2 溫度傳感器及其組成模塊
    系統(tǒng)溫度傳感器選用熱敏電阻，熱敏電阻具有以下特點：1)很大的負(fù)電阻溫度系數(shù)，因此其溫度測量靈敏度高；2)體積小，故熱容量很小，可用于快速變化溫度的測量；3)響應(yīng)速度快，尤其是珠狀玻封熱敏電阻，其響應(yīng)時間低于50 ms；4)具有很大的電阻值(kΩ級)，因此導(dǎo)線電阻及接觸電阻對測量的影響可忽略。該系統(tǒng)選用MF51型高精度熱敏電阻，溫漂為0．002℃／a。
    系統(tǒng)硬件連接如圖3所示，基準(zhǔn)電壓選用ISL21009BFB812Z，該芯片輸出1．250 V基準(zhǔn)電壓，精度可達(dá)±0．5 mV，溫漂為3 ppm／℃，作為AD7799的參考電壓，同時其輸出電流達(dá)7 mA，可為測溫電橋的激勵源。測溫電橋中的3個電阻與熱敏電阻RT構(gòu)成一個單臂電橋，熱敏電阻RT隨溫度的變化引起電橋的電位差發(fā)生變化。系統(tǒng)中R1、R2、R3均為7．5 kΩ(1／1000)25 ppm的標(biāo)準(zhǔn)精密金屬膜電阻，熱敏電阻阻值在3～15 kΩ變化(相當(dāng)于溫度在40～-4℃范圍內(nèi)的變化，此為海洋溫度范圍)形成-0．20～0．25 V的差分信號輸出。

3 測溫電路校準(zhǔn)方法
    MF51型熱敏電阻的電阻值R與溫度t之間存在著嚴(yán)重的非線性關(guān)系，如圖4所示，因此，對其進行校準(zhǔn)、計算所采用的方法也是影響測溫精度的關(guān)鍵。常見的R-t建模方法有B值法(B為溫度量綱，與熱敏電阻材料有關(guān))、Steinhart-hart方程法、分段擬合法等，但這些方法都不能滿足測量精度的要求。

    為得到高精度的R-t關(guān)系，設(shè)計中不是單獨校準(zhǔn)熱敏電阻，而是采用熱敏電阻與測溫電路共同校準(zhǔn)的方法，這樣，可以最大限度減小諸如電橋電阻容差、元器件溫漂、A／D模塊的緩沖電壓失調(diào)等元器件本身的非理想特性所帶來的系統(tǒng)誤差。
    利用HJ6A型低溫恒溫試驗箱為熱敏電阻提供不同的溫度環(huán)境，在-4～40℃間相對均勻地取100個溫度點，記錄此100個溫度點下熱敏電阻輸出所對應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值，以此為基礎(chǔ)利用插值法，在實際測量中MCU根據(jù)即時的A／D轉(zhuǎn)換值可計算得到當(dāng)前溫度值。
    該方法雖然需要對每個系統(tǒng)都要單獨測量大量溫度值和所對應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值，但是系統(tǒng)最終的測量精度僅依賴于后期的校正，避免了器件個體差異對精度的影響。

4 高精度測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下采用C語言對單片機編程。單片機通過對AD7799片內(nèi)寄存器的編程，即通過寫其中的寄存器，來實現(xiàn)通道選擇、增益選擇、轉(zhuǎn)換速度選擇和A／D轉(zhuǎn)換等功能。不管讀寫哪個寄存器，單片機都必須先寫通信寄存器，以確定下一步是讀或?qū)?，是訪問哪一個寄存器。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

    在對AD7799的參數(shù)配置中，要注意增益倍數(shù)和轉(zhuǎn)換頻率的設(shè)置。增益倍數(shù)越大，A／D轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的位數(shù)就越少；而轉(zhuǎn)換頻率太高，也會影響器件的精度。因此，根據(jù)基準(zhǔn)電壓計傳感器的輸出信號，配置放大倍數(shù)為2；考慮到系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求，將轉(zhuǎn)換頻率配置50 Hz，可達(dá)到20位以上的均方值RMS精度。

5 實驗結(jié)果
    利用HJ6A低溫恒溫試驗箱為系統(tǒng)提供多個溫度點進行溫度測量精度驗證，表1為系統(tǒng)部分測量數(shù)據(jù)，可以看出，本系統(tǒng)測溫精度可達(dá)到0．02℃。

    此外，系統(tǒng)還搭載中科院南海所實驗1號實驗船進行了為期1個月的海上實驗，期間進行了3套系統(tǒng)對海洋剖面參數(shù)的測量，測試結(jié)果證明，本系統(tǒng)性能可靠，精確度高。表2為南海實驗水溫隨深度變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

6 結(jié)束語
    該測溫系統(tǒng)系“投棄式溫鹽深海流剖面測量系統(tǒng)”的測溫部分，要求系統(tǒng)必須功耗低、精度高。本測溫系統(tǒng)充分利用了AD7799的高精度、低功耗、多通道特點，實現(xiàn)了對海洋溫度的精確測量，測量精度可達(dá)0．02℃，系統(tǒng)分辨率超過0．001℃。經(jīng)過海上實際環(huán)境試驗，系統(tǒng)工作可靠。同時本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對于AD7799在測量壓力、流量、氣體濃度等和應(yīng)用熱敏電阻的高精度測溫方面有一定的參考作用。