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基于鉑電阻的數字溫度測量系統設計

   2012年05月07日 15:50  
  摘要:在某企業開發的加工控制系統中,溫度范圍是-100℃~600℃,測量誤差小于1%。針對本系統所需的溫度測量要求,選用了精度高的鉑電阻作為溫度傳感器,模數轉換使用MSP430F149內部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測量系統具有低功耗、結構簡單,使用方便,可以擴展成多路溫度測量等優點。
  
  引言
  
  在某企業開發的加工控制系統中,溫度范圍是-100℃~600℃,測量誤差小于1%。針對本系統所需的溫度測量要求,選用了精度高的鉑電阻作為溫度傳感器,模數轉換使用MSP430F149內部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測量系統具有低功耗、結構簡單,使用方便,可以擴展成多路溫度測量等優點。
  
  1、硬件設計
  
  根據測試系統所要求的測量范圍,選用的傳感器為鉑電阻PT100,Pt100的測量范圍是-200到850,從PT100的分度表可以計算出線性度為,無法達到測量精度的要求,所以需要一個線性補償的信號調理電路,線性補償電路通過采用XTR105芯片,通過溫度測量范圍匹配電阻,從而達到設計要求。AD轉換用MSP430F149單片機內部12位分辨率的ADC。LCD是2行×16列的字符型液晶顯示器。系統的電路框圖如圖1所示。
  
  1.1MSP430單片機
  
  MSP430是德州公司新開發的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機,由于其性價比和集成度高,受到廣大技術開發人員的青睞。它采用16位的總線,外設和內存統一編址,尋址范圍可達64K,還可以外擴展存儲器。具有統一的中斷管理,具有豐富的片上外圍模塊,片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個12位的模數轉換器、一個看門狗、6路I/O端口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘,支持8M的時鐘。對于FLASH型則有十分方便的開發調試環境,因為器件片內有JTAG調試接口,還有可電擦寫的FLASH存儲器,因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內,再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內CPU狀態,以及存儲器內容信息供設計者調試,整個開發都可以在同一個軟件集成環境中進行。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器,而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和C語言。
  
  1.2PT100溫度傳感器
  
  溫度是表征物體冷熱程度的物理量,它可以通過物體隨溫度變化的某些特性(如電阻、電壓變化等特性)來間接測量,金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現性和穩定性,利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器,通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω,電阻變化率為0.3851Ω/℃。鉑電阻溫度傳感器精度高,穩定性好,應用溫度范圍廣,是中低溫區(-200~650℃)zui常用的一種溫度檢測器,不僅廣泛應用于工業測溫,而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用。PT100的溫度/電阻曲線如圖2所示。
  
  按IEC751標準,溫度系數TCR=O.003851,Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統一設計型鉑電阻。TCR=(R100一R0)/(R0×100)。PT100與PT1000的標準阻值如表1所示。
  
  溫度/電阻特性公式如下:
  
  -200<0℃Rt="R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
  
  0<850℃Rt="R0(1+At+Bt2]
  
  其中Rt在t℃時的電阻值,R0在0℃時的電阻值
  
  1.3信號調理電路設計
  
  由于鉑電阻的溫度電阻特性具有線性度不好,在進行線性補償時選用XTR105,鉑電阻線性補償電路如圖3所示。各個電阻的計算公式如下。
  
  其中,RZ=RTDzui小測量溫度,
  
  RL選用時注意MSP430單片機ADC的參考電壓,ADC的參考電壓設置為外部電源電壓3.3V,采用150的低溫漂高精度電阻,RL的電壓范圍在0.6V到3V之間,RL可直接接MSP430的模擬信號輸入端進行模數轉換。線性補償電路設計中的電阻按照XTR105手冊提供的計算方法來確定,其中RZ為PT100在-100℃時的電阻(60Ω),R2為600攝氏度時的電阻(314Ω),R1=RTDResistanceat(-100+600)/2=194Ω,經過公式計算,RG=581Ω,RLIN1=4.3kΩ。z
  
  2、軟件設計
  
  在程序設計中使用C語言編程,使用C語言設計將會帶來一下幾點好處:1:可以大大提高軟件開發的工作效率;2:可以提高所設計的程序代碼的可靠性、可讀性、可移植性;3:設計者可以更多地集中在充分發揮MSP430的功能上。MSP430可以進行多個模擬通道的ADC模數轉換,進行ADC模塊設置時需要設置通道、參考電壓等相關寄存器,由于ADC轉換的數值是2進制的,轉換值送LCD顯示前要使轉換值變換成ASCII型數據,程序流程如圖3所示。
  
  3、測試結果
  
  完成硬件與軟件的設計后,進行系統聯試。首先測試ADC的功能模塊,測試的方法采用高精度的可變電阻器替代鉑電阻PT100的阻值,根據鉑電阻PT100分度表調節對應溫度的可變電阻的阻值,從-100℃到600℃區間取15個點,每50℃測試一次,記錄AD轉換值。溫度和轉換值進行zui小二乘法線性擬合,計算出線性度等測量系統的指標。線性度計算結果為小于1%,測量數據如下:
  
  AD轉換功能調試結束后,對AD轉換值進行數據處理,使測量值準確地顯示在LCD上。
  
  4、結論
  
  測試結果表明,此溫度測量系統通過設計合理的信號調理電路,達到了一定的精度要求,并且具有穩定可靠的性能,設計結構簡單,功耗低等優點。

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