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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mén)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(kāi)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(xiàn)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的輸出在溫度低限時(shí)向0V靠攏，而在溫度高限時(shí)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(xiě)；上位機(jī)使用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)。 

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(kāi)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(huà)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(mǎn)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(hù)通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)設(shè)定溫度采集的開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)性特性以及不平衡電橋中非線(xiàn)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(mǎn)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。