劉 偉，李 晶

(1．吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林132022;2．吉林信息工程學(xué)校電子教研組，吉林吉林132022)

工業(yè)中常采用熱電阻 PT100、Cu100以及Cu50等進(jìn)行溫度測(cè)量，在熱電阻測(cè)溫儀表中為了消除導(dǎo)線電阻引入的誤差，一般均采用三線制檢測(cè)方式［1］，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示．

圖1 熱電阻三線制測(cè)溫儀表結(jié)構(gòu)框圖

圖1中恒流源電路為測(cè)量熱電阻提供所需的電流，測(cè)量電路前級(jí)采用高阻抗輸入的差動(dòng)運(yùn)算放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)ADC采集后送入CPU進(jìn)行運(yùn)算得到測(cè)溫結(jié)果．從圖中可以看出這種電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜．而隨著新型C8051F等片上系統(tǒng)的出現(xiàn)，芯片中模擬器件集成度的逐漸提高，三線制熱電阻測(cè)量電路可以得到極大的簡(jiǎn)化，電路的簡(jiǎn)化不僅僅降低了成本，減少了生產(chǎn)的調(diào)試環(huán)節(jié)，同時(shí)也較大的提高了電路的可靠性．本文將詳細(xì)論述基于偏上系統(tǒng)的三線制熱電阻測(cè)溫儀表的設(shè)計(jì)．

1 熱電阻測(cè)溫原理及測(cè)溫電路

采用C8051F350片上系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的熱電阻測(cè)量電路如圖2所示．C8051F350片上系統(tǒng)運(yùn)行速度可達(dá)50MIPS，并且內(nèi)部集成有電流型IDAC、轉(zhuǎn)換速率達(dá)1 ksps的24位差分Sigma-Delta ADC、程控增益放大器PGA、15PPM/℃的電壓基準(zhǔn)源以及定時(shí)器、PCA等資源［2］．

圖2 C8051F350熱電阻測(cè)量電路原理圖

根據(jù)C8051F350片上資源以及三線制測(cè)溫 儀表結(jié)構(gòu)的分析，圖1中恒流源可采用電流型IDA0實(shí)現(xiàn)，放大電路采用內(nèi)部集成的程控增益放大器PGA，A/D轉(zhuǎn)換電路采用內(nèi)部集成的24位差分型ADC，并且通過寄存器配置實(shí)現(xiàn)AIN0．0與 AIN0．2，AIN0．1 與 AIN0．2 兩對(duì)差分輸入，分別對(duì)Uab與Uac的進(jìn)行測(cè)量，并通過內(nèi)部集成的系統(tǒng)校準(zhǔn)寄存器實(shí)現(xiàn)偏移校準(zhǔn)與增益校準(zhǔn)，以獲得較好的測(cè)量結(jié)果．

工作原理:圖2中RT為熱電阻傳感器，r1、r2、r3為導(dǎo)線電阻，在實(shí)際工程中這三根導(dǎo)線采用相同材質(zhì)相同長度的導(dǎo)線，因此有r1=r2=r3=r，IDA0為測(cè)量恒定電流i，由于C8051F350模擬輸入端具有極高的輸入阻抗，即AIN0接口不消耗電流，電流i僅從c點(diǎn)經(jīng)r1、RT與r3流回到a點(diǎn)的系統(tǒng)地(電流I回路為c-d-a)．

所以a與c之間的電壓即為:

由于AIN1接口也是高阻接口，因此在b與d之間的這條導(dǎo)線(r2)沒有電流，因此b點(diǎn)的電勢(shì)與d點(diǎn)的電勢(shì)相等，即Uab=Uad，在b-d-a這個(gè)回路中僅有RT與r3有電流i流過，所以:

由(2)×2－(1)得:

設(shè)內(nèi)部程控放大器的增益為k，電壓基準(zhǔn)電壓為Vref，Uac經(jīng) ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為 Nac，則有:

同理Uab經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為Nab，則有:

從(5)中可以看出，經(jīng)過此處理測(cè)量結(jié)果已經(jīng)與導(dǎo)線電阻r無關(guān)，即消除了導(dǎo)線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響．并且 i、k、Vref為已知常數(shù)，因此，RT與(2Nab－Nac)成正比，即兩者成線性關(guān)系．同時(shí)由于i采用的是IDA0，而IDA0采用的電壓基準(zhǔn)也是內(nèi)部Vref，因此在(6)式中存在的也能部分抵消電壓基準(zhǔn)溫度漂移的影響，從而提高了儀表自身的溫度穩(wěn)定性［3］．

從(6)式即可簡(jiǎn)化為:

測(cè)出RT后，通過查找PT100分度表并經(jīng)線性插值運(yùn)算即可得到被測(cè)溫度．

2 熱電阻測(cè)溫電路的校準(zhǔn)

由于RT與(2Nab－Nac)成比例線性關(guān)系，但實(shí)際工程電路中運(yùn)算放大電路、ADC、ADC的基準(zhǔn)等均存在誤差，因此，儀表生產(chǎn)出廠前比較經(jīng)過校準(zhǔn)才能保證測(cè)量精度．

線性系統(tǒng)其主要誤差為增益誤差與偏移誤差［4］，因此可以采用整體校準(zhǔn)方案，僅需要校準(zhǔn)增益與零點(diǎn)偏移即可，校準(zhǔn)過程如下:

校準(zhǔn)過程如下:

(1)零點(diǎn)校準(zhǔn):取較小的(約量程的10%)、已知、精確的 RT0輸入系統(tǒng)，記錄 ADC轉(zhuǎn)換值Nab0、Nac0．

(2)滿度校準(zhǔn):取約接近量程90%的、已知、精確的電阻RTr輸入系統(tǒng)，記錄ADC轉(zhuǎn)換值Nabr、Nacr．

則有:

(3)由(8)、(9)式可以得到

3 軟件設(shè)計(jì)

雖然校準(zhǔn)后的γ×(2Nab－Nac)+β軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)，但C8051F350具有十分完備工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，已經(jīng)在ADC設(shè)計(jì)了增益校準(zhǔn)寄存器與偏移校準(zhǔn)寄存器，所以校準(zhǔn)時(shí)僅需要將γ和β分別送入增益校準(zhǔn)寄存器 ADC0CGH、ADC0CGM和ADC0CGL中以及偏移校準(zhǔn)寄存器 ADC0COH、ADC0COM和ADC0COL中即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，減少了軟件運(yùn)算上的CPU消耗與時(shí)間消耗，較大的提高了運(yùn)算速度，簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)過程以及對(duì)RAM的消耗．

PT100熱電阻測(cè)溫儀表的程序主要包括C8051F350單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、ADC、DAC與基準(zhǔn)Vref的初始化、程控增益放大器PGA初始化、增益校準(zhǔn)寄存器與偏移校準(zhǔn)寄存器初始化、ADC檢測(cè)、運(yùn)算并查找分度表程序、線性插值等程序組成．程序流程如圖3所示．

圖3 程序流程圖

4 結(jié) 論

此方案采用新型C8051F350片上系統(tǒng)使熱電阻PT100測(cè)溫儀表的電路進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化，可靠好，性價(jià)比高．并且依賴于C8051F350片上24位高分辨率的ADC與程控增益放大器PGA，以及合理的校準(zhǔn)方案，使得儀表的測(cè)量精度優(yōu)于0．1%，由于能夠抵消一部分基準(zhǔn)漂移，所以測(cè)量精度長期穩(wěn)定性好．目前，此方案已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用驗(yàn)證，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域的測(cè)溫要求．

［1］ 劉麒，張莉，王影．實(shí)用的熱電阻測(cè)溫電路設(shè)計(jì)［J］．吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(11):84-86．

［2］ C8051F35x手冊(cè)［DB/OL］．http://www．xhl．com．cn/upfile/Flash/2011/4/20110426172014．pdf．

［3］ 童詩白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．4版，北京:高等教育出版社2006．

［4］ 艾學(xué)忠，劉偉，陳北辰．單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］．北京:中國機(jī)械出版社，2012．

［5］ 古天祥，王厚軍，習(xí)友寶．電子測(cè)量原理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．