精度高鉑電阻溫度測量方法

摘要:鉑電阻是工業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的理想測溫元件。常規(guī)的溫度采集方法是通過測量電阻橋的不平衡電壓來實現(xiàn),其性能依賴于選取的模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度,精度高測量成本過高。提出一種新的精度高,低成本的鉑電阻測溫方法。先用RC振蕩器將鉑電阻變化調(diào)制為時變頻率信號,再用SSP1492芯片測量該頻率變化量,最后送入C8051F021單片機,用高階多項式完成頻率變化到溫度變化的解算,實現(xiàn)精度高溫度測量。實驗結(jié)果表明,該方法的測量精度等級高于a03%(Es)。
　　標準鉑電阻溫度計具有精度高.高靈敏性和高穩(wěn)定性等特點,因而被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表的溫度測量?，F(xiàn)有方法大多是先將電阻變化通過電阻橋轉(zhuǎn)換為電壓信號,再經(jīng)過一系列濾波和放大處理后,送入A/D轉(zhuǎn)換器完成溫度采集。這類方法需解決好以下問題:
(1)由于溫度對鉑電阻阻值和放大器帶來的影響,系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化時會產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。在高精度測量中,尋找有效的溫度補償方法是需要面臨的難題之一。
(2)隨著測量精度的提高,高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的價格增大,導(dǎo)致測量儀器成本過高是所面臨的另一個問題。
　　給出一種新的鉑電阻測溫方法,通過RC振蕩器,將鉑電阻變化量轉(zhuǎn)換為頻率信號,解決了傳統(tǒng)方法中由于溫度變化及不平衡電阻橋所帶來的非線性問題;通過測量頻率變化量值來解算鉑電阻的阻值變化，從而計算出被測溫度值,省去A/D環(huán)節(jié),在精度高測溫時降低了設(shè)備成本。
1測量原理
1.1傳感器信號調(diào)理
　　使用傳感器首要的問題是如何將傳感器輸出的模擬信號數(shù)字化,本設(shè)計采用了一種將鉑電阻阻值變化調(diào)制為時變頻率信號的方法。為把傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換成頻率變化,可將鉑電阻放入RC振蕩電路,如圖1所示。振蕩電路由比較器和連在正反饋端的觸發(fā)器組成,在振蕩電路中,傳感器看作可變電阻。通過對觸發(fā)器設(shè)置適當?shù)拈撝导纯蓪鞲衅鞯淖柚底兓D(zhuǎn)換為時變頻率方波)信號。再將該信號輸入到如圖2所示的計數(shù)器,在給定的循環(huán)周期內(nèi)利用高速計數(shù)器解調(diào)頻率信號，從而數(shù)字化為與振蕩頻率成比例的值,繼而成比例于被測物理量(溫度值)。
 
1.2測量結(jié)果推算
　　根據(jù)上述調(diào)理方案,要完成溫度解算,最直接的方法是先由測得的計數(shù)值,計算出信號變化的頻率值,由于頻率與RC震蕩電路的時間常數(shù)成反比關(guān)系,即
 
　　式中:Fe為測得的信號變化頻率值;R為鉑電阻阻值;C為振蕩器電容值;k為時間比例系數(shù)。
　　由式(1)可知,如果Fe、C和k已知,就能求出鉑電阻當前的R,繼而由阻值換算出溫度值。然而,上述方法需處理好如”下問題:
(1)求取k較繁瑣,需通過反復(fù)實驗才能確定推導(dǎo)過程并不復(fù)雜),實踐證明,其互換性較差。
(2)電路中難免存在一些寄生電容和開關(guān)電阻等,會影響到測量結(jié)果的推算。如電路中的開關(guān)電阻會與鉑電阻阻值疊加，成為式(1)中的R部分;電容也有類似的情況,要消除這些干擾的代價很大。
為此,提出一種直接用多項式擬合來解算溫度值的方法。即在儀器的測量范圍內(nèi)均勻改變恒溫槽溫度,同時記錄計數(shù)值與標準溫度值,然后用高階多項式對兩組數(shù)據(jù)進行擬合,得到計數(shù)值與標準溫度值的映射關(guān)系,從而得到一組多項式系數(shù),以后測得的新的計數(shù)值用該組系數(shù)即可算出對應(yīng)的溫度。避免了上述問題中繁瑣的試驗及中間計算環(huán)節(jié)導(dǎo)致的各種誤差,系統(tǒng)標定、校準過程簡單,易實現(xiàn)軟件自動化。
2系統(tǒng)設(shè)計
21硬件設(shè)計
　　硬件主要包括了C8051F021主控模塊、信號調(diào)制解調(diào)模塊、電源模塊,串口通信模塊及顯示模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。
 
2.1.1單片機選型
　　單片機負責接收.上位機發(fā)送的各種控制命令,根據(jù)命令控制采集電路完成溫度測量,并將結(jié)果送回上位機?，F(xiàn)有測量儀表使用的微處理器大多是8位和16位,也有少數(shù)采用32位。出于便攜性考慮,微處理器的體積應(yīng)盡量小,功耗應(yīng)盡量低。實時性和正確性要求微處理器的運算速度要快。選擇SiliconLabs公司生產(chǎn)的C8051F021微處理器,該處理器采用工業(yè)標準的8位核心,具有增強型指令集,最高達20MIPS。C8051F021微處理器的待機功耗很低,標準狀態(tài)時低于1μA,在喚醒模式下的功耗小于20μA;支持SPIIC及RS-232等申行總線,滿足需要的各種外設(shè)接口。特別適合需高性能,低功耗與多種封裝選擇以獲得系統(tǒng)成本的應(yīng)用。
2.1.2電源設(shè)計
　　提供兩種供電方式:3.6V鋰電池或外接5V直流電源方式。由于選擇大多芯片的正常工作電壓為3.3V,在用鋰電池供電時,電源轉(zhuǎn)換時損失的電壓不能太高,否則電路無法正常工作。選用MC2211作為電源轉(zhuǎn)換芯片,該芯片能夠接受2.25~550V的電壓輸入,因而同時兼容鋰電池和5V直流電源兩種供電方式;它以80mV/100mA的壓降提供最大150mA和300mA兩路輸出,能最大限度的發(fā)揮鋰電池的電量;選擇兩路電源輸出的目的是將系統(tǒng)供電與無線模塊供電分離,消除干擾。外接電源接口設(shè)計為A型USB接口,便于用臺式機,特別是移動電腦供電或充電。
2.1.3溫度測量電路設(shè)計
　　測溫原理已在第1.2小節(jié)給出,其核心電路如圖4所示。由于SSP1492能接受的振蕩器頻率在1MHz內(nèi),而PT100溫度傳感器的電阻值約為1002,所以選用6800pF的固定電容即可構(gòu)成滿足要求的RC振蕩器。SSP1492下方的是計數(shù)參考時鐘電路,該電路能產(chǎn)生18MHz的時鐘信號,用于頻率信號解調(diào)計數(shù)器觸發(fā)的時鐘基準。
 
　　SSP1492與微控制器C8051F021間采用共同的電源和復(fù)位源,數(shù)據(jù)交互通過SPI接口實現(xiàn)。單片機發(fā)送命令到SSP1492,控制振蕩器開關(guān),計數(shù)器計數(shù)操作等,SSP1492計數(shù)結(jié)束后,置位STAIUS引腳,以中斷的方式告知單片機,單片機再通過SPI總線讀取測量結(jié)果并清除中斷標記,如此循環(huán)完成信號采集。
2.1.4通信接口設(shè)計
　　與上位機之間的通信接口采用RS-232標準,在距離較近時可采用串口線連接,距離較遠或多個設(shè)備同時工作時采用無線連接方式。選用HACUEM型微功率數(shù)傳模塊,該模塊的最大發(fā)射功率小于80mW,采用433MHz載頻頻段,在9600bp的波特率下能可靠傳播1200m以上,且滿足工業(yè)級標準。經(jīng)測試,在較復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境下，該模塊能穩(wěn)定.有效的傳送數(shù)據(jù)。
　　HACUEM雖兼容UART和RS-232兩種接口，但PC機不提供UART方式,需在單片機和PC之間用MAX232芯片對串口電平進行轉(zhuǎn)化以匹配兩者的電平。而HACUEM則直接并聯(lián)到單片機的UART上,這樣,有線和無線兩種方式即可根據(jù)需要選用。.
2.15顯示模塊設(shè)計
　　C8051F021沒有集成液晶驅(qū)動模塊,所以測溫儀選用GXM1602C點陣式字符液晶顯示器模塊來顯示測量到的溫度值和計數(shù)值等信息,該液晶模塊與微處理器間的連接較簡單,操作方便。電路連接如圖5所示。
 
2.2軟件設(shè)計
　　為合理分配計算開銷,在軟件結(jié)構(gòu)上采用上下位機配合的方式。上位機主要負責較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,圖形顯示和數(shù)據(jù)的后臺保存工作;而單片機主要處理一些邏輯控制或?qū)崟r性要求較高的處理任務(wù)。這樣設(shè)計的優(yōu)勢還體現(xiàn)在軟件結(jié)構(gòu)清晰,各功能模塊易于管理和維護。
2.2.1單片機端軟件設(shè)計
1)系統(tǒng)初始化。在單片機上電復(fù)位時對系統(tǒng)進行初始化。首先是C8051F021自身的初始化,然后是對SSP1492的初始化,完成后將初始化狀態(tài)標志置位(該標志用于，上位機查詢硬件初始化狀態(tài)),最后進入節(jié)電模式等待上位機發(fā)送命令。
2)通信與數(shù)據(jù)幀格式。測溫系統(tǒng)與上位的通信采用兼容RS-232的通信方式。測溫儀作為從機，上位機作為主機控制并監(jiān)視測溫儀,以半雙工方式互傳數(shù)據(jù),通信波特率為9600bps其格式采用1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。通信幀格式定義為:起始符(1Byte)、從機地址(1Byte)、控制碼(1Byte)、數(shù)據(jù)(NBytes)、校驗字節(jié)(1Byte),結(jié)束符(1Byte)。起始字節(jié)表示啟動一次通信,將從機.從休眠狀態(tài)喚醒,或?qū)⑵鋸墓ぷ鳡顟B(tài)中中斷;從機地址用于判斷那個從機需要處理主機命令,未指定的從機可繼續(xù)保持休眠狀態(tài);控制碼代表從機要執(zhí)行的任務(wù);校驗字節(jié)用來驗證本次通信的正確性,以起始符之后,校驗字節(jié)之前所有數(shù)據(jù)加全的低8為作為校驗字。每個從機預(yù)先都需設(shè)定一個8位地址,使從機響應(yīng)主機與否都能通過主機發(fā)送的命令幀中的地址來判斷,為便于主機管理,從機地址還可由主機重新設(shè)置。另外,上下幀采用統(tǒng)一的格式，因此,下位機僅需更新命令幀中的數(shù)據(jù)和校驗字節(jié)即可完成上行幀的組裝。從而實現(xiàn)主機輪詢，從機應(yīng)答的無線通信方式。
3)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。當設(shè)備初始化成功,且從機接受到.上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)采集命令后,根據(jù)上位機發(fā)來的相應(yīng)的配置信息設(shè)置SSP1492,啟動振蕩器,待計數(shù)周期結(jié)束后,由C8051F021通過SP聰線從SSP1492內(nèi)部存儲器中將計數(shù)值讀出,將其轉(zhuǎn)換為IEEE32格式的浮點數(shù),以小端模式存放到數(shù)據(jù)幀緩存中,將發(fā)送待命標志置位,關(guān)閉振蕩器并使SSP1492進入休眠狀態(tài),完成--次采集任務(wù)。發(fā)送模塊負責數(shù)據(jù)組裝為上行幀,再由RS-232串口發(fā)送回.上位機。
2.2.2，上位機端軟件設(shè)計
1)濾波。濾波器按照其時域沖擊響應(yīng)可分為有限沖擊響應(yīng)(FR)和無限沖擊響應(yīng)(IR)兩大類。FIR濾波器具有易設(shè)計,穩(wěn)定性高及線性相位等優(yōu)點。而IIR濾波器可采用較少的權(quán)值得到較長的沖擊響應(yīng),計算量較FIR濾波器降低,有效提高了運算速度,但不具備線性相位,設(shè)計過程也與穩(wěn)定性密切相關(guān)。用IIR近似FIR是一種有效的,能同時繼承FIR和IIR兩類濾波器優(yōu)點的設(shè)計方法“。即先設(shè)計滿足要求的FIR濾波器,再通過降階的IIR濾波器對其進行逼近。采用文獻[9]中的方法來實現(xiàn)對計數(shù)值的濾波。
2)數(shù)據(jù)保存格式。微軟推出的office辦公套件中的Excel是-款具有相當普及度的電子表格處理軟件,利用它能直觀且方便的完成各種較復(fù)雜的數(shù)學運算。不需編制任何軟件,只需在Excel的相應(yīng)單元格中輸入相應(yīng)的公式即可完成一次數(shù)據(jù)處理。此外，Excel還具有強大的圖形顯示功能,為用戶提供友好的人機界面。將采集到的數(shù)據(jù)保存為與Excel兼容的文件格式,每行數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的保存格式,即日期(年1月舊);時間(小時:分鐘:秒鐘);數(shù)據(jù)1;數(shù)據(jù)2;;數(shù)據(jù)n。這樣做的好處是，一方面,用戶可根據(jù)需要對歷史數(shù)據(jù)進行各種查詢操作;另一方面,利用Excel提供的數(shù)據(jù)處理和圖形功能,能快速的對數(shù)據(jù)進行一-些數(shù)學分析和顯示,這對于現(xiàn)場作業(yè)非常有利。.
3)軟件界面設(shè)計。采用VC++60開發(fā)環(huán)境,實現(xiàn)了用于WindowsXP環(huán)境下數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件。圖6是工作中的上位機軟件界面。左上方以圖形方式動態(tài)的顯示采集到的數(shù)據(jù),每條曲線表示相應(yīng)通道采集到的溫度。右上方是控制面板,給出常用的控制信息,方便用戶快速操作,這些信息還包含在下拉菜單當中。最下方顯示的是最近幾次采集的歷史數(shù)據(jù),與圖形顯示區(qū)不同，這里以數(shù)值形式給出,并與保存格式相同。
 
3實驗結(jié)果
　　為驗證所提出方法的有效性,用兩組實驗來進行驗證和分析。
1)第一組為檢定實驗,該實驗的目的是檢定測溫系統(tǒng)的測量精度。使用國家--等溫度標準裝置。該裝置由一等數(shù)字測溫儀，Pt100一等標準鉑電阻,RTS-40C型恒溫槽組成。該裝置的測量范圍為-60~+60℃,檢定系統(tǒng)的最大不確定度為±00039C,實驗環(huán)境溫度為26℃,濕度RH=61%。檢定結(jié)果如表1所示。
 
　　由表1可看出,被測溫度從-50~+60℃變化了110℃,而實測溫度值與標準溫度值的最大誤差為0.03℃,所以系統(tǒng)的最大測量誤差小于0.03%(Es)。
2)第二組為比對實驗。實驗?zāi)康氖潜容^測溫系統(tǒng)與現(xiàn)有精度高的標準測溫系統(tǒng)間的正確性。溫度傳感器為兩支相同型號且同一批次的一等標準Pt100鉑電阻。在試驗中，兩支傳感器放置在恒溫槽中部且靠的足夠近。此外,考慮到恒溫控制打開時,風機轉(zhuǎn)動會增加擾動，影響兩支傳感器的同步性,為此,全部過程中恒溫功能均為關(guān)閉狀態(tài),其他條件同試驗。
　　在上述條件下,同時用兩種測溫儀采集了從-50~+60℃之間的各個整數(shù)溫度值,進行差值后的數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖可看出,在溫度范圍中與1560型Hart溫標相比,測溫儀的絕大多數(shù)溫差在±0.1℃范圍內(nèi),兩者具有較高的吻合度。
 
4結(jié)束語
　　提出了一種新的鉑電阻測溫方法,給出了詳細的設(shè)計過程，并進行了實驗驗證。總結(jié)如下:
1)與傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換方式不同,提出的方法采用基于頻率的信號調(diào)理技術(shù),先將鉑電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號,再通過后續(xù)的頻率計數(shù)、濾波和高階多項式解算,實現(xiàn)了采用標準鉑電阻的精度高測溫儀。實驗結(jié)果驗證了提出方法的有效性,系統(tǒng)最大測溫誤差為±003℃,分辨率為0.01℃。
2)測溫系統(tǒng)的核心硬件由純芯片實現(xiàn),鉑電阻傳感器實際上工作在無源狀態(tài),系統(tǒng)具有抗干擾能力強,功耗低,成本低,體積小等優(yōu)點。經(jīng)反復(fù)測試,當系統(tǒng)無線方式)使用3.6V.1800mA鋰電池供電時,連續(xù)工作時間可達29.5h。
3)理論，上,系統(tǒng)的測量分辨率僅與傳感器(電阻)的最小變化量有關(guān),但精度高的溫度測量以增加采樣周期為代價,實際使用時需要視具體應(yīng)用選擇適當?shù)姆直媛?。建議用于對精度具有較高要求,但實時性沒有嚴格限制的溫度測量儀器。如標準溫標,標準溫度比對器或嵌入式手持測溫儀等。
采用該方法的測溫設(shè)備已在高校和企業(yè)中投入使用,并取得了良好的效果。