分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:基于MAX31865數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)一套嵌人式溫度采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)熱電阻溫度傳感器信號(hào)的采集。為減少引線電阻對(duì)測量結(jié)果的影響，采用三線制接線方式。分布式熱電阻信號(hào)經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過申行外設(shè)接口傳送至單片機(jī),實(shí)現(xiàn)溫度的測量。該溫度采集系統(tǒng)具備6路熱電阻傳感器信號(hào)采集、處理及顯示功能。試驗(yàn)測試表明:開發(fā)的系統(tǒng)測量精度高,工作穩(wěn)定可靠,滿足使用要求。
0引言
       溫度是過程控制系統(tǒng)中重要的被控變量之一。熱電阻是工業(yè)中進(jìn)行溫度檢測常用的元件之一,反應(yīng)快,時(shí)間間隔相對(duì)較小,具有較高的精度、較好的長期穩(wěn)定性,測溫范圍廣，工作范圍為-200~850℃可測特定部位或狹小場所的溫度,對(duì)溫度的調(diào)節(jié)、控制、放大等很容易進(jìn)行。熱電阻傳感器(resistancetemperaturedetector,RTD)基于電阻隨溫度的變化而改變的特性進(jìn)行溫度測量。鉑或銅等正溫度系數(shù)熱電阻具有較好的穩(wěn)定性、線性輸出特性以及較寬的測溫范圍,得到廣泛應(yīng)用。采集熱電阻信號(hào),結(jié)合遍歷查表法、一次插值法和平滑濾波算法后得出溫度;使用C8051F350芯片完成對(duì)熱電阻信號(hào)的采集;采用ADC0832為A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測范圍為0~600℃的溫度檢測報(bào)警電路。MAX31865芯片是一款將熱電阻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器,具有集成度高、分辨率高及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),還具備故障自診斷功能,適用于對(duì)熱電阻信號(hào)進(jìn)行處理’。本文中基于MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)設(shè)計(jì)一套熱電阻傳感器溫度采集系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)溫度的精度高測量,并在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。
1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
       基于熱電阻傳感器以及MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)一套溫度信號(hào)采集、處理及通信檢測系統(tǒng)，包括溫度傳感器、單片機(jī)、MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱電阻傳感器的電阻隨溫度改變，傳感器信號(hào)連接至MAX31865芯片。單片機(jī)依次控制各MAX31865芯片的使能端,實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,基于串行外設(shè)接口(serialperipheralinterface,SPI)總線,按照MAX31865傳輸協(xié)議得到各傳感器的溫度。采集系統(tǒng)通過RS-485通信將溫度實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度的顯示。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1熱電阻信號(hào)處理電路
       系統(tǒng)的硬件部分包括熱電阻處理電路、單片機(jī)及周圍電路、電平轉(zhuǎn)換電路和485通信電路等。本采集系統(tǒng)由6路電阻處理電路及其周圍電路組成,可同時(shí)采集并處理6路電阻信號(hào),使用MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器處理熱電阻模擬信號(hào)，該芯片內(nèi)置15位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其精度可達(dá)0.5℃,并且具有±50V的過壓保護(hù)輸人,提供可配置的熱電阻及電路開路、短路故障檢測、SPI兼容接口以及相關(guān)的控制邏輯電路。每路熱電阻信號(hào)處理電路如圖2所示。圖2中PT100為鉑熱電阻,即0℃時(shí)的電阻為100Ω。根據(jù)MAX31865芯片手冊(cè)推薦,參考電阻應(yīng)選擇RTD0℃電阻的4倍。因此,PT100的參考電阻選用400Ω。熱電阻采用三線制接線方式，為補(bǔ)償導(dǎo)線上電阻的壓降1-12]，從差分輸人(RTDIN+和RTDIN-)中減去FORCE+和RTDIN+的電壓,利用FORCE2引腳對(duì)電阻輸人進(jìn)行采樣。熱電阻產(chǎn)生的模擬信號(hào)輸人至處理電路,數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器采集并處理熱電阻產(chǎn)生的模擬信號(hào)。

2.2單片機(jī)及周圍電路
       分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)采用MC9S08DZ60單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。該單片機(jī)具有8位HCS08中央處理器,最高可配置20MHz總線時(shí)鐘,支持最多32個(gè)中斷/復(fù)位源，配置60KiBFlash存儲(chǔ)器,最大2KiB的帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(eletricallyerasableprogrammablereadonlymemory，EEPROM)在線可編程內(nèi)存,最多可提供53個(gè)通用I/O管腳和1個(gè)專用輸人管腳,管腳和片上外圍設(shè)備(定時(shí)器、串行I/O、ADC、MSCAN等)共享,以及SPI模塊提供微控制單元(microcontrollerunit，MCU)和外圍器件間的全雙工、同步和串行通信,滿足裝置的功能需求。
       單片機(jī)及周圍電路如圖3所示,分為SPI通信電路、RS485通信電路和單片機(jī)周圍電路等。單片機(jī)周圍電路包括蜂鳴器及液晶顯示器(liquidcrystaldisplay,LCD)燈電路,通過聲音及LCD燈的亮滅狀態(tài)可判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)及故障情況。

2.3電平轉(zhuǎn)換電路:
       由于熱電阻處理電路采用的MAX31865芯片的工作電壓為3.3V,故需將5V電源電壓轉(zhuǎn)換為3.3V.SN74LVC4245A具有三態(tài)輸出的8路總線收發(fā)器和5.5V一3.3V雙電源電平移位器。芯片分為A和B2組,一組輸人,一組輸出。其中A組支持1.5~5.5V電壓,B組支持1.5~3.6V電壓,A組供電電壓大于B組。該芯片可實(shí)現(xiàn)5.5V一3.3V的電平轉(zhuǎn)換,能夠通過程序控制引腳實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換方向的反轉(zhuǎn),電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。74LVC4245的電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行,雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值13-141,并且有很好的噪聲抑制性能
:

2.4RS一485通信模塊
        為了便于熱電阻溫度采集系統(tǒng)與上位機(jī)或其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián),通過通信方式傳遞數(shù)據(jù);考慮本系統(tǒng)對(duì)通信距離有一定要求,所以采用RS-485通信模塊,實(shí)現(xiàn)熱電阻溫度采集模塊與上位機(jī)或其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，RS一485是由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定并發(fā)布的串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn),具有傳輸距離長、速度高、電平兼容性好、使用靈活方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[17-18],數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)到10MB/s,但僅在距離較小時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大傳輸速率,當(dāng)傳輸距離增大速率將隨之減小191。RS-485通信電路如圖5所示，圖5a)為雙通道數(shù)字隔離器及周圍電路,用于隔離收發(fā)信號(hào);圖5b)為驅(qū)動(dòng)器收發(fā)器集成芯片及周圍電路;圖5c)為光電耦合器及周圍電路,用于隔離對(duì)RS-485通信電路的控制信號(hào)。通信電路接口采用的是差分接收器和平衡驅(qū)動(dòng)器組合的方式,抗共模干擾能力較強(qiáng)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1RTD至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器工作過程
       熱電阻在測量溫度時(shí)接線方式有二線制、三線制和四線制2”,本系統(tǒng)中熱電阻采用三線制接線方式。在程序中配置MAX31865各寄存器的值,在進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)系統(tǒng)可通過向配置寄存器D7位寫1使能VBIAS。配置寄存器D6位為1時(shí)選擇自動(dòng)(連續(xù))轉(zhuǎn)換模式時(shí),VBIAS保持有效狀態(tài);系統(tǒng)向該位寫人0,退出自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式,進(jìn)入“常閉”模式，該模式下可發(fā)送單次轉(zhuǎn)換命令。由于使用三線RTD連接,配置寄存器D4位為1。向D5、D3和D2位為0的同時(shí)向故障狀態(tài)清零(D1)位寫人1,將使故障寄存器的全部故障狀態(tài)位(D[7:2])清零。
       熱電阻輸人采集模塊采用MAX31865芯片內(nèi)部的15位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)存放在兩個(gè)8位寄存器中,高8位地址為0x01,低8位地址為0x02,其中低8位寄存器的最低位DO位為錯(cuò)誤標(biāo)志位。熱電阻信號(hào)采集流程圖如圖6所示,轉(zhuǎn)換模塊在操作狀態(tài)下采集模擬信號(hào),通過使能片選信號(hào)(chipselect,CS)來選擇某個(gè)通道，隨后通過程序由單片機(jī)向MAX31865芯片發(fā)送讀寄存器的指令,轉(zhuǎn)換芯片收到指令后開始讀取熱電阻寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)值,若讀取到低8位寄存器的D0故障位置位時(shí),該通道故障，則將故障寄存器置位后將故障寄存器數(shù)值發(fā)送至單片機(jī);若無故障,則將處理后的數(shù)字信號(hào)通過SPI發(fā)送傳至單片機(jī),由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到當(dāng)前熱電阻所測溫度,該通道熱電阻信號(hào)采集結(jié)束。計(jì)算得到的溫度可通過RS一485通信模塊上傳至上位機(jī),由上位機(jī)做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

鉑熱電阻的電阻與溫度的關(guān)系可用CallendarVanDusen方程表示[21為:
R(t)=R0(1+αt+bt²+c(t-100)t³)，(1)
       式中:t為溫度;R(t)為溫度t時(shí)熱電阻的電阻;R0為t=0℃時(shí)熱電阻的電阻;a、b、c為系數(shù),其中α=3.90830×10^-3,b=-5.77500×10^-7，當(dāng)-200℃≤t≤0℃,時(shí)c=-4.18301×100^-12;當(dāng)0℃≤l≤850℃時(shí),c=0。
在RTD的電阻已知且電阻特性定義良好的情況下,可通過式(1)確定溫度。
       MAX31865芯片可實(shí)現(xiàn)熱電阻或電路連接故障的檢測,若在采集及處理信號(hào)過程中出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)會(huì)停止工作并將故障信息一并發(fā)送至單片機(jī),故障檢測流程圖如圖7所示。

       芯片在任意時(shí)間始終激活對(duì)FORCE+、FORCE2、RTDIN+、RTDIN-或FORCE-引腳的電壓檢測,具有高達(dá)+50V的輸入電壓保護(hù)。由圖6a)可知,在任意時(shí)間點(diǎn)檢測到發(fā)生過壓(大于VDD)或欠壓(小于GND1),開關(guān)開路,故障狀態(tài)寄存器的D2置位,模數(shù)轉(zhuǎn)換(analogtodigitalconverter,ADC)中止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更新,直到故障解除后恢復(fù)轉(zhuǎn)換。芯片在每次進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行檢測,由圖6b)可知，ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后執(zhí)行對(duì)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在檢測到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)大于或等于轉(zhuǎn)換結(jié)果上限時(shí)將故障狀態(tài)寄存器的D7置位,小于或等于轉(zhuǎn)換結(jié)果下限時(shí)將故障狀態(tài)寄存器的D6置位，所有故障信息在LSB寄存器
D0置位后將信息傳輸給單片機(jī)。
3.2單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
       系統(tǒng)通電后,單片機(jī)首先完成系統(tǒng)初始化,包括時(shí)鐘初始化、定時(shí)器初始化、I/O口初始化等;系統(tǒng)按照程序設(shè)定完成初始化后,進(jìn)入正常工作模式。單片機(jī)依次使能各通道的CS信號(hào),通過SPI通信從MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器得到溫度數(shù)據(jù)，并通過RS-485通信方式將各路溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的溫度顯示及存儲(chǔ)等操作。
4試驗(yàn)測試
4.1溫度標(biāo)定
       在恒溫油槽中對(duì)該分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,在20~120℃,每隔20℃對(duì)該溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。此次標(biāo)定中,采用的恒溫油槽適用溫度范圍為(室溫+10℃)~300℃,溫度波動(dòng)范圍為+0.05℃。使用所設(shè)計(jì)的分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng),在各標(biāo)定溫度下,使用各通道進(jìn)行測量,得到各標(biāo)定點(diǎn)溫度下6個(gè)通道的溫度如表1所示。由表1可知,各標(biāo)定點(diǎn)工況下,該系統(tǒng)各測試通道的最大溫度偏差均在0.5℃以內(nèi),系統(tǒng)各通道一致性較好。

4.2試驗(yàn)測試
       采用該測試系統(tǒng)對(duì)某公司生產(chǎn)的140柴油機(jī)進(jìn)行性能測試試驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2100r/min,扭矩不同時(shí),分布式溫度采集系統(tǒng)同時(shí)采集主油道機(jī)油溫度、增壓器回油溫度、油冷前機(jī)油溫度和油冷后機(jī)油溫度,如表2所示。

       柴油機(jī)各部位溫度隨扭矩的變化曲線如圖8所示。在研究所用工況下,由圖8可知，隨著扭矩的增加,增壓器回油溫度上升幅度最大，當(dāng)扭矩由500N.m增至2000N.m時(shí),溫度，上升約10℃;上升幅度最小的是主油道機(jī)油溫度。

       整個(gè)測試過程中，系統(tǒng)可以長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)精度高的溫度測量,滿足工業(yè)領(lǐng)域的溫度采集要求。
5結(jié)論
1)基于單片機(jī)和MAX31865數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了一套熱電阻溫度信號(hào)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)具備六路熱電阻信號(hào)采集、處理及通信等功能。
2)單片機(jī)依次控制各MAX31865芯片的使能端,實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,基于SPI總線按照MAX31865傳輸協(xié)議得到各傳感器的溫度。
3)采用該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上,測量柴油機(jī)各處機(jī)油溫度,結(jié)果表明,本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,滿足臺(tái)架測試的要求。