WZP-24SA隔爆鉑電阻測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測(cè)量準(zhǔn)確高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200℃～650℃）范圍的溫度測(cè)量中。

但在這種檢測(cè)電路中，不平衡電橋中以及鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性給zui后的溫度測(cè)量帶來(lái)了一定的誤差。早期通常采用硬件電路來(lái)減小這種誤差。但硬件法不但增加了電路的復(fù)雜性，而且由于包括傳感器在內(nèi)的各種硬件本身的缺陷和弱點(diǎn)，所以往往難以達(dá)到較高的指標(biāo)要求。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上引入與檢測(cè)技術(shù)直接相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，即軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化處理的要求，可以有效地提高系統(tǒng)的精度，降低成本。  

WZP-24SA隔爆鉑電阻測(cè)溫儀通過(guò)采用查表線性化得出溫度各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，并且利用軟件算法實(shí)現(xiàn)了電路中各參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整選取，在盡可能提高分辨率的情況下使設(shè)計(jì)的電路在給定的溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率近似相等，從而方便了硬件電路的設(shè)計(jì)和電阻的選取，也減小了鉑電阻測(cè)溫電路的非線性誤差。  

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  

測(cè)溫儀的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，考慮到功耗及整機(jī)的精度和價(jià)格等問(wèn)題，鉑電阻測(cè)溫儀的單片機(jī)控制器采用ENC的8位78K0系列單片機(jī)，并啟用了看門狗功能，以提高測(cè)溫義的抗干擾性能。測(cè)溫系統(tǒng)采用不平衡電橋測(cè)量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)中進(jìn)行處理和顯示。采集時(shí)顯示zui值溫度，超過(guò)設(shè)定值則報(bào)警。本測(cè)溫儀通過(guò)USB接口與PC機(jī)連接，上位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置采集開始時(shí)間、采集間隔時(shí)間等參數(shù)，并讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。  

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)  

上海自動(dòng)化儀表三廠的鉑電阻的測(cè)溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，該測(cè)溫儀的測(cè)溫電路采用軟件算法中的查表線性化方法，利用軟件算法對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整選取，在保證高分辨率的情況下，使得在給定的溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率近似相等，誤差可達(dá)到0.5級(jí)儀表的要求，提高了測(cè)溫儀的整體性能。   

輸出的U5將被送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后由微處理器讀入再進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量電路的數(shù)字分析可以得出，U5和Us是*成正比的。因此，在設(shè)計(jì)中將Us設(shè)為A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的參考電壓。這樣，即使Us有所變化，也不會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。    由于將Us設(shè)為了參考電壓，為了zui大化測(cè)量的分辨率，希望U5的輸出在溫度低*向0V靠攏，而在溫度高*向Us靠攏。這樣，首先存在的一個(gè)問(wèn)題便是運(yùn)算放大器的輸出問(wèn)題。通常，運(yùn)算放大器的輸出并不等于電源電壓，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)飽和問(wèn)題，這樣便降低了整個(gè)電路的測(cè)量分辨率。上海自動(dòng)化儀表有限公司在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用的是Rail-to-Rail的運(yùn)算放大器，即輸出上限可以達(dá)到電源電壓，而下降可以達(dá)到0V。這一點(diǎn)對(duì)于整個(gè)電路來(lái)講是非常關(guān)鍵的。  

3 系統(tǒng)軟件  

系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)即PC端軟件和下位機(jī)即單片機(jī)模塊的軟件兩部分。下位機(jī)由于采用的是NEC的78K0系列單片機(jī)，因此編譯調(diào)試環(huán)境為NEC的Project Manager和ID78K0，程序均用NEC單片機(jī)的C語(yǔ)言編寫；上位機(jī)使用Visual Basic語(yǔ)言編寫。 

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)初始參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)采集完以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及保存。  

測(cè)溫儀初始化時(shí)，需要和上位機(jī)連接，然后通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)確定測(cè)溫開始時(shí)間、測(cè)溫總時(shí)間、溫度報(bào)警zui大值和zui小值以及采樣間隔時(shí)間等參數(shù)；測(cè)溫儀完成一次參數(shù)采集后，可以將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)畫出溫度數(shù)據(jù)的波形，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PC機(jī)中。由于測(cè)溫儀外擴(kuò)了256K的EEPROM24C256，基本上可以滿足多次測(cè)溫的要求。  

 下位機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度采集。首先用戶通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)設(shè)定溫度采集的開始時(shí)間、采集時(shí)間間隔以及報(bào)警溫度等各個(gè)參數(shù)，然后開始采集溫度數(shù)據(jù)。采集時(shí)顯示zui值溫度，當(dāng)溫度超出報(bào)警溫度值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。  

該測(cè)溫儀已經(jīng)投入生產(chǎn)，應(yīng)用在食品等生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的溫度監(jiān)控中。鉑電阻測(cè)溫電路的查表線性化的方法，自適應(yīng)調(diào)整選取了電路參數(shù)，減少了鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性以及不平衡電橋中非線性特性所引起的系統(tǒng)訪問(wèn)，使得系統(tǒng)誤差達(dá)到0.5級(jí)儀表的要求，提高了測(cè)溫儀的整體性能，可以滿足一些對(duì)溫度變化比較敏感的食品加工等場(chǎng)合的溫度監(jiān)控的需求。