李東明 蔡鄂 胡亞斌 王永濤中國地質(zhì)大學(xué)信息實驗中心湖北武漢

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遠程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

李東明 蔡鄂 胡亞斌 王永濤
中國地質(zhì)大學(xué)信息實驗中心湖北武漢

摘要：為了提高溫度測量精度，設(shè)計了一種高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)利用24bit A／D轉(zhuǎn)換器ADSl255作為數(shù)據(jù)采集核心部件，Microchip出品的PIC32Mx5作為核心計算部件以及物理網(wǎng)卡芯片構(gòu)成。系統(tǒng)利用PIC32Mx795的計算性能，通過牛頓法直接尋找高次方程的溫度根，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送給遠程主機。與鉑電阻溫度計的對比實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于0.01℃，且工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵字：過采樣 溫度數(shù)據(jù)采集 32位單片機 TCP／IP 熱電阻

常用的溫度傳感器有熱電阻、集成溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器等多種。熱電阻因其測量精度高，且性能穩(wěn)定，在高精度溫度測量中占有重要的地位。通常在傳感器信號經(jīng)信號調(diào)理，采用12bit、16bitAD器件對傳感器的調(diào)理信號進行采樣，然后通過查表得到溫度值，但是因為系統(tǒng)噪聲、AD轉(zhuǎn)換的量化噪聲等的存在，導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。本文利用24bitAD器件ADSl255作為受轉(zhuǎn)換的核心器件，利用其過采樣技術(shù)，去除引起系統(tǒng)通道紋波誤差的模擬濾波結(jié)構(gòu)，大幅度降低系統(tǒng)的測量誤差，系統(tǒng)以鉑熱電阻PTl00為溫度傳感器，測量范圍為一50～250℃，測量的分辨率為土0．0l℃，高次方程尋根計算時間是毫秒量級。從硬件電路和軟件算法設(shè)計上保證了測量精度和可靠性。

1　系統(tǒng)工作原理

PTl000產(chǎn)生的微弱電壓信號經(jīng)過調(diào)理之后送給24bmⅥ）轉(zhuǎn)換器ADSl255，32位處理器PIC32Mx795讀取電壓值后經(jīng)過迭代計算出溫度值。時鐘、液晶用以顯示溫度、日期等信息。利用精簡TCP／IP協(xié)議棧實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)通過模擬開關(guān)切換可升級為同時采集8路溫度信號，最終將采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過Internet發(fā)送至遠程服務(wù)器進行分析和處理。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1精密恒流源

利用0P97或者OP400運放構(gòu)成精密恒流源電路，基準電壓由AD公司的ADR434器件提供，該器件溫度穩(wěn)定性能高。由圖3知，由電阻器R決定恒流電流I=10峨。該電流源的性能受到取樣電阻Rl的溫度穩(wěn)定性的影響，故應(yīng)認真選擇。

2.2信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路如圖4所示。通過外接電阻Rg設(shè)置放大電路的增益（G=1+50“R）。系統(tǒng)的溫度測量范圍是0～200℃，因此對應(yīng)電阻值范圍為1000～1940．981Q，對應(yīng)輸出電壓為10mV～19．41mV，經(jīng)過前置放大100倍。最后送入刖D轉(zhuǎn)換器的電壓幅度為1．0～1．941V。

在該系統(tǒng)的信號調(diào)理架構(gòu)中，省掉了濾波器結(jié)構(gòu)，原因在于采用了ADSl255器件，將數(shù)字濾波引進溫度數(shù)據(jù)采集中來，降低系統(tǒng)模擬前端的設(shè)計復(fù)雜性，完全消除由于模擬濾波器帶來的通帶內(nèi)紋波等噪聲的影響。從實際實驗的效果來看，采用ADSl255這種過采樣再數(shù)字濾波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大幅度降低噪聲，提高測量精度。

3　下位機系統(tǒng)軟件設(shè)計

溫度和電阻值之間為非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的測量方法是將整個溫度測量區(qū)間分成若干個近似線性區(qū)間，在每一個溫度區(qū)間內(nèi)，電阻值和溫度的關(guān)系近似線性，然后通過數(shù)值算法進行擬合。但是對于PIC32處理器，利用該處理器的強大的計算能力直接進行高次方程的數(shù)值求解應(yīng)該是首選的方案。

3.1利用牛頓迭代法求溫度根

3.2溫度與測量電壓關(guān)系式

3.3溫度數(shù)據(jù)采集與遠程發(fā)送流程

PIC32利用牛頓迭代法實現(xiàn)溫度根的求取，然后通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)發(fā)送。

4　實驗結(jié)果與對比分析

在溫區(qū)0～100℃用不同方法進行溫度測量，其中實際溫度由標準鉑電阻溫度計標定。直接利用PIC32的計算性能求解鉑電阻物理特性方程的數(shù)值根，可以得到較高的精度，并在整個溫度區(qū)間有較好的一致性。

5　結(jié)論

本文與標準鉑電阻溫度計的對比實驗數(shù)據(jù)表明，利用24bitA／D過采樣轉(zhuǎn)換器ADSl255、微控器PIC32Mx795及遠程PC機構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠；利用PIC32的強大計算性能，直接尋找物理特性方程的根，測量精度優(yōu)于0．01℃，且一致性很高。

參考文獻

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