談宏興， 施火泉*， 朱 杰

(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.無錫科思電子科技有限公司，江蘇無錫214028)

溫度是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用得最多的待測(cè)物理量，普遍采用4～20 mA電流的強(qiáng)信號(hào)來傳輸模擬量。熱電阻在測(cè)量靈敏度、線性度等方面優(yōu)于熱電偶，因此在中低溫區(qū)得到廣泛應(yīng)用［1］。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度高、電磁干擾強(qiáng)等復(fù)雜和惡劣條件，使傳統(tǒng)熱電阻溫度變送器不能滿足應(yīng)用要求，同時(shí)控制芯片集成了高精度AD和占空比脈沖(PWM)，價(jià)格上比普通51單片機(jī)加獨(dú)立高精度AD芯片要低。據(jù)此設(shè)計(jì)了基于C8051F單片機(jī)的隔離型熱電阻溫度變送器，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、成本低、體積小、生產(chǎn)調(diào)試方便等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

采用單片機(jī)C8051F996為控制核心，通過三線制測(cè)量電橋，采集PT100的電阻信號(hào)，經(jīng)差動(dòng)放大調(diào)理再送入AD模塊，經(jīng)過分段查詢，得出當(dāng)前PT100所對(duì)應(yīng)的溫度，從而指令輸出相應(yīng)的占空比脈沖信號(hào)。為了避免外部干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，將占空比信號(hào)通過光耦隔離輸出到輸出轉(zhuǎn)換電路。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 測(cè)量采樣模塊Fig.2 Measuring and sampling module

變送器系統(tǒng)的組成包括主控模塊、測(cè)量采樣模塊、光耦隔離模塊、輸出轉(zhuǎn)換模塊以及電源模塊。

2.1 主控模塊

SiliconLabs公司新推出的小體積、低功耗、高性能、低價(jià)格的微控制器C8051F996是混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的內(nèi)核及與傳統(tǒng)MCS51兼容的指令集。該芯片工作頻率高達(dá)24.5 MHz，擁有8 K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器、512字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、12位75 Ksps的單端AD模擬多路轉(zhuǎn)換器、可輸出16位PWM的可編程邏輯陣列(PCA)等，采用強(qiáng)大的非侵入式JTAG/C2在系統(tǒng)調(diào)試手段，可方便完成下載和硬件仿真，且不占用片內(nèi)資源［2］。該芯片無需擴(kuò)展即可完成主要功能。

2.2 測(cè)量采樣模塊

采用鉑電阻PT100作為溫度傳感器，測(cè)溫范圍寬(－200℃ ～650℃)，響應(yīng)快速，可重復(fù)操作，較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，適用性廣。熱電阻按三線制橋式接法，可避免引線電阻的影響，提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸精度，測(cè)溫電路如圖2所示。

測(cè)溫原理:VREF1為2.5 V高精度參考電壓。通過 R12，R11，R10，PT100 構(gòu)成測(cè)量電橋，其中 R11=R12，R10為78.7 Ω(對(duì)應(yīng) － 50 ℃ 的熱電阻值)，均為0.1% 高精密電阻。當(dāng)PT100的阻值大于R10時(shí)，電橋輸出一個(gè)正的毫伏級(jí)壓差信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過精密運(yùn)放TLC277放大后輸出至單片機(jī)AD口。由R6，R7，R8，R9及U1B構(gòu)成差動(dòng)放大電路，其中 R6=R7，R8=R9，其輸出電壓由式(1)得

通過調(diào)節(jié)R6與R8的比值來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。考慮到測(cè)溫范圍是－50℃到+200℃及AD基準(zhǔn)電壓使用外部參考電壓2.5 V，AD口輸入幅值電壓為2.5 V，并留有一定裕量，則取放大倍數(shù)為20。

2.3 光耦隔離模塊

為避免外部電路對(duì)測(cè)量電路的影響，提高抗干擾性能及系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，文中使用了TLP781光耦使輸出和輸入電路隔離(見圖3)。

圖3 光耦隔離模塊Fig.3 Optical coupling isolation module

2.4 輸出轉(zhuǎn)換模塊

電子技術(shù)應(yīng)用中，常需模擬輸出(見圖4)。高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片或者集成了DAC的單片機(jī)芯片價(jià)格昂貴。應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出，經(jīng)過簡(jiǎn)單的濾波變換電路實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，可大大降低系統(tǒng)成本［3］，且便于實(shí)現(xiàn)隔離。

為達(dá)到 －50℃ 到 +200℃，2 500個(gè)點(diǎn)的分辨率，而C8051F996具有8位、9位、10位、11位和16位共5種模式的PWM工作方式［4］，又211＜2 500＜216，所以必須選用16位PWM。

圖4 中，單片機(jī)輸出的PWM電壓，經(jīng)光耦隔離，輸出波形為理想的PWM波，再經(jīng)過R15，C11，R16，C12兩級(jí)阻容濾波和U2A的跟隨放大，在A點(diǎn)得到直流電壓即MCU輸出的調(diào)制PWM波在A點(diǎn)得到解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)DAC功能。設(shè)輸出占空比為D，輸出電流為 IO，可得

輸出級(jí)采用了運(yùn)放U2B實(shí)現(xiàn)了恒流輸出電路，R23為電流取樣電阻，并采用三極管提高輸出驅(qū)動(dòng)能力，避免了負(fù)載電阻變化對(duì)精度的影響，并具有輸出短路保護(hù)功能。則有

又因?yàn)?/p>

綜合上式，并帶入阻值，可得

當(dāng)輸出電流為20 mA時(shí)，占空比D為1;輸出4 mA時(shí)，占空比為0.2，電路滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 輸出轉(zhuǎn)換模塊Fig.4 Output switch module

2.5 電源模塊

采用220 V供電的開關(guān)電源輸出兩組隔離電源，開關(guān)電源體積小，質(zhì)量輕，效率高。如圖5所示，電源VH為220 V交流電壓通過整流后的直流電壓，采用了高效離線式開關(guān) IC:TinySwitch-III系列的TNY276。

為提高精度，輸入、輸出兩側(cè)均使用基準(zhǔn)電源，參考電壓VREF1和VREF2均為2.5 V，通過兩路隔離輸出電源，均加至基準(zhǔn)電壓芯片LM236上得到。

圖5 電源模塊Fig.5 Power module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，把整個(gè)程序分成多個(gè)功能模塊。主要有:主程序，AD采樣，F(xiàn)lash讀寫，PWM輸出。

3.1 主程序

主程序流程如圖6所示。分為AD采樣、校正處理、數(shù)據(jù)處理、輸出4部分。由于變送器裝置的誤差主要分為恒定系統(tǒng)誤差和變化系統(tǒng)誤差，而通過硬件修改可以減小部分恒定系統(tǒng)誤差，但變化系統(tǒng)誤差如儀表的零點(diǎn)、放大倍數(shù)的漂移和溫度變化引起的誤差只能通過軟件校正來減小。

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

軟件校正流程如下:

1)調(diào)零點(diǎn) 出廠前，通過調(diào)零點(diǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)零位誤差校正，設(shè)置零點(diǎn)的輸入條件，實(shí)測(cè)并保存校正數(shù)據(jù)。運(yùn)行時(shí)，讀取校正數(shù)據(jù)，當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)偏差補(bǔ)償計(jì)算，得到修正電壓值。校正具體方法:外部設(shè)置為零點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，將校正口1置低;CPU檢測(cè)到校零點(diǎn)條件，則將當(dāng)前AD采樣電壓作為校正參數(shù)存入Flash中，供以后讀取使用。

2)調(diào)滿量程 通過調(diào)滿量程的方式來實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)偏差引起的誤差校正。具體方法是設(shè)置滿量程的輸入條件，置校正口2為低。CPU檢測(cè)得到一個(gè)實(shí)際電壓值，與保存的標(biāo)準(zhǔn)放大倍數(shù)下的滿量程電壓值比較，得到需修正的放大倍數(shù)并存入Flash中。以后任意條件輸入時(shí)，每次讀取修正放大倍數(shù)，并與采樣值相乘。調(diào)零調(diào)滿的流程如圖6所示。

3)線性化處理原理 查表法的基礎(chǔ)是建立起采樣電壓與實(shí)際溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)PT100分度表，可通過以精密電阻箱來模擬PT100的輸入，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，并記錄下－50.0℃到+200.0℃之間的250組溫度－電壓的數(shù)據(jù)。由于被測(cè)溫度與熱電阻間存在非線性關(guān)系，這里采用折線近似的方法進(jìn)行非線性修正，將所有數(shù)據(jù)分段線性化處理。

將整個(gè)測(cè)溫范圍分為n個(gè)溫度段，每段用最小二乘法求折線來近似表示熱電阻的電勢(shì)和溫度的關(guān)系［5］。理論上說，折線段越多，精度越好。程序中，實(shí)際分了34段。通過分段查詢計(jì)算，用當(dāng)前電壓值減去該段起點(diǎn)值，再除以該段所對(duì)應(yīng)的0.1℃ 的電壓差值，得到溫度差值，最后再加上該段起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值，即可得到當(dāng)前實(shí)際溫度值。然后，指令輸出相應(yīng)的PWM值，使輸入輸出之間呈線性化對(duì)應(yīng)關(guān)系。這里就將輸入和輸出在程序上分離，以避免溫度漂移在整體上對(duì)程序的影響，提高了程序的可靠性和可讀性。

3.2 AD 采樣

文獻(xiàn)［6］中，推導(dǎo)出在白噪聲前提下，離散高斯噪聲模型的最優(yōu)估計(jì)量是最大似然估計(jì)，可用MLS算法求出，當(dāng)AD采樣位數(shù)足夠大時(shí)，可用統(tǒng)計(jì)平均近似代替MLS算法［4］。系統(tǒng)用的是12位AD采樣，可用統(tǒng)計(jì)平均近似代替MLS算法。通過連續(xù)25次采樣，每5次采樣取中位值，再求5次平均的方法得到最終采樣值。該法使輸出電流在0.001 mA位微小波動(dòng)，有效地克服了偶然因素引起的輸入干擾，具有良好的濾波效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從 －50℃ 到200℃ 之間，任意選擇10個(gè)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如表1所示的實(shí)測(cè)結(jié)果。

表1 部分實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.1 Part experimental results

由表1可見，電流偏差峰值為0.011 mA，電流測(cè)量精度為0.11%，而對(duì)于4～20 mA內(nèi)2 500個(gè)點(diǎn)來說，0.1℃ 對(duì)應(yīng)于0.006 4 mA，由于電流偏差值小于0.012 8 mA，溫度精度控制在0.2℃ 以內(nèi)。

5 結(jié)語

文中設(shè)計(jì)的溫度變送器，是由C8051F996單片機(jī)及精密運(yùn)放構(gòu)成的采樣電路和輸出轉(zhuǎn)換電路組成;其測(cè)量通道和輸出通道采用光耦隔離，通道電阻采用精密電阻;采用小型化的開關(guān)電源，并使用常規(guī)的220 V交流電源供電。該變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，準(zhǔn)確度高，通用性好，滿足批量生產(chǎn)要求，符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

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