一種高精度測溫裝置的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于鉑熱電阻的高精度測溫裝置，該裝置以單片機(jī)為控制核心，采用熱電阻傳感器檢測目標(biāo)的溫度信息，利用軟件編程完成溫度信息的計(jì)算處理及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，并通過LED顯示相應(yīng)測量數(shù)據(jù)。該裝置具有溫度數(shù)據(jù)顯示、工作模式選擇、無線通信等功能。
關(guān)鍵詞：熱電阻；工作模式；單片機(jī)；無線通信

0 引言
    在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一，物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要測量和控制溫度，因此溫度測量的場合極其廣泛。熱電阻是工程上應(yīng)用廣泛的溫度傳感器，使用最多的鉑熱電阻溫度傳感器零攝氏度標(biāo)稱中阻值為100Ω和10Ω，電阻變化系數(shù)為0．003851。鉑熱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)最常用的一種溫度傳感器，不僅廣泛用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。
    該裝置結(jié)合單片機(jī)和傳感器技術(shù)，采用AD517及ADSlllO芯片和EL-700鉑熱電阻設(shè)計(jì)了一種具有無線發(fā)射與接收模塊的高精度測溫裝置。該裝置既可以單機(jī)工作，利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)信號檢測、處理及顯示。又可以利用無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的無線通信，利用計(jì)算機(jī)實(shí)
現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理及打印。該測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，具有較高測溫分辨率及友好的人機(jī)界面，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)具有較高的測量精度。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 熱電阻的測溫電路
    熱電阻的測溫電路如圖1所示，該電路由毫安級恒流源產(chǎn)生電路、差分運(yùn)算電路和AD517芯片組成。該電路采用兩個(gè)完全相同的毫安級恒流源分別給熱電阻RT和標(biāo)準(zhǔn)參考電阻Rf供電。在恒流源電路中，VD1和VD2為帶溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓二極管，四個(gè)PNP型的三極管T1、T2、T3和T4組成了兩個(gè)PNP型復(fù)合管，其目的是為了提高放大器的增益，減小誤差，以便提高恒流源的穩(wěn)定度。恒流源與RT和Rf(Rf取為Rf=100Ω)與地組成的電路產(chǎn)生的電壓作為差分運(yùn)算電路的輸入信號，根據(jù)電路的組成，可以得到差分運(yùn)算電路的輸出電壓是與熱電阻的阻值成正比的，通過選擇合適的元器件參數(shù)把該裝置的測溫范圍設(shè)置為0～120℃。該測溫電路的AD517芯片為高精度、低溫漂的單片集成運(yùn)算放大器，ADSlllO是業(yè)界最小封裝的6位△一∑型及輸入電壓范圍為0～2．048V的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。測溫電路中AD517的作用是將差分運(yùn)算電路的輸出電壓調(diào)整到一個(gè)
合適的范圍，以方便后面的ADSlll0進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖中R9：和R10為比例放大電阻，RP為集成運(yùn)放AD517的調(diào)零電阻，典型值為20kΩ。經(jīng)過放大電路調(diào)整后的輸出電壓典型值為Uo，即可作為ADSlll0輸入電壓，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。

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1．2 總體設(shè)計(jì)
    此基于EL-700鉑熱電阻傳感器的高精度測溫裝置既可以單機(jī)工作，又可以通過無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，把采集到的溫度信號送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析、處理及打印，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸與處理。測溫裝置主要由溫度信號的檢測與采集電路、LED顯示、按鍵控制、電源、報(bào)警及復(fù)位、無線發(fā)射與接收等功能模塊組成，每一個(gè)電路模塊完成一定的功能，測溫裝置的硬件總體組成框圖如圖2所示。

    電源模塊為整個(gè)裝置提供電源，在單機(jī)工作模式下，利用EL-700鉑熱電阻溫度傳感器來檢測被測物體的溫度信息，傳感器的輸出信號由測溫電路模塊進(jìn)行處理及放大之后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSlll0轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(jī)中，由軟件編程來實(shí)現(xiàn)溫度的顯示及控制功能；LED數(shù)碼管顯示模塊用來顯示相應(yīng)的溫度數(shù)值及溫標(biāo)信息；通過按鍵控制模塊及相應(yīng)的程序可以實(shí)現(xiàn)裝置的工作模式選擇、攝氏溫度與華氏溫度顯示選擇等功能。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，它是系統(tǒng)算法和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，整個(gè)測溫系統(tǒng)是在程序控制下進(jìn)行工作的，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中我們選擇以單片機(jī)C51語言為主，以匯編語言為輔，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將該部分設(shè)計(jì)劃分為相應(yīng)的程序模塊，增強(qiáng)了程序的可移植性。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要有單片機(jī)主程序、鍵盤控制子程序、開機(jī)自檢子程序、溫度檢測及顯示子程序、中斷子程序等。單片機(jī)主程序流程圖如圖3所示。

    系統(tǒng)上電后單片機(jī)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，之后程序執(zhí)行相應(yīng)的自檢子程序，檢測測溫系統(tǒng)是否有故障。系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入的單機(jī)工作模式，在單機(jī)工作模式下，可以根據(jù)功能按鍵選擇不同的功能，通過系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的功能按鍵處理子程序來完成應(yīng)的功能，并在LED數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的溫度信息，具有非常好的人性化特點(diǎn)；在無線工作模式下，此時(shí)系統(tǒng)作為一個(gè)下位機(jī)，可以和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理功能，把下位機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
    試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過對普通熱水器加熱中的水溫進(jìn)行測量取得，測量中采用實(shí)驗(yàn)用高精密數(shù)字測溫儀的示值溫度作為被測物體溫度檢測點(diǎn)的溫度真實(shí)值，本測溫裝置測得的溫度信息經(jīng)過電路的轉(zhuǎn)換及單片機(jī)的處理后，測得的溫度信息在LED數(shù)碼管上的顯示值如表l所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)LED顯示值和真實(shí)值很接近；試驗(yàn)過程中，由于測量環(huán)境及其它因素的影響，使得系統(tǒng)的測量值在真實(shí)值上下波動(dòng)，但溫度的實(shí)際相對誤差始終保持在1％以內(nèi)，從而證明了本測溫裝置完全能夠滿足實(shí)際的測量要求。

4 結(jié)論
    文中以單片機(jī)為測溫裝置的控制及數(shù)據(jù)處理核心，設(shè)計(jì)了基于鉑熱電阻的高精度測溫裝置，具有兩種工作模式；采用兩個(gè)完全相同的毫安級恒流源分別給熱電阻和參考電阻供電，利用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1110完成溫度信息的采集及A／D轉(zhuǎn)換，從提高了裝置的測量精度；通過單片機(jī)的軟件編程完成線性化算法及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，并結(jié)合功能按鍵來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同功能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，此測溫裝置具有較高的測量精度，具有非常廣泛的實(shí)際用途。