趙建凱

（內(nèi)蒙古大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

引言

在人類(lèi)日常生活與生產(chǎn)活動(dòng)中，溫度的監(jiān)測(cè)變的越來(lái)越重要，不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的精度要求不同，比如目前普通的家用溫度監(jiān)測(cè)通常具有較低的精度，而工業(yè)環(huán)境、氣象系統(tǒng)中所使用的溫度監(jiān)測(cè)往往要求比較高的精度。隨著科技的發(fā)展，需要用到高精度溫度監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域越來(lái)越多，比如設(shè)施農(nóng)業(yè)、溫室大棚、倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)、廠礦監(jiān)測(cè)等，傳統(tǒng)的溫度傳感器包括熱敏電阻、熱電偶、PT100鉑電阻溫度傳感器等，而PT100鉑電阻溫度傳感器又分為兩線制、三線制和四線制，四線制PT100鉑電阻溫度傳感器檢測(cè)精度最高，但成本也最高，通常應(yīng)用于對(duì)溫度監(jiān)測(cè)精度有較高要求的領(lǐng)域，比如氣象行業(yè)等。本文以氣象行業(yè)普遍使用的四線制鉑電阻溫度傳感器為敏感元件，采用ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)無(wú)線設(shè)置與檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線高精度溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，作為小區(qū)域溫度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)單元。

1 高精度溫度檢測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

PT100傳感器測(cè)溫范圍在-200~850 ℃間，允許通過(guò)不高于5 mA的電流，它的非線性偏差不超過(guò)0.5 ℃。國(guó)標(biāo)規(guī)定PT100鉑電阻在0 ℃時(shí)阻值為100 Ω，溫度系數(shù)為3.851×10-3℃-1。在采集PT100溫度傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先測(cè)量PT100的電阻值，從而依據(jù)測(cè)得的電阻值通過(guò)查詢電阻溫度分度表來(lái)確定溫度值。

1.1 鉑電阻檢測(cè)電路

高精度鉑電阻溫度傳感器通常采用四線制形式，可以最大程度地減少干擾，提高檢測(cè)精度。通常在“*、G”間施加一個(gè)恒定電流激勵(lì)，“+、-”端連接儀表放大器的輸入端進(jìn)行檢測(cè)（圖1）。這種測(cè)量方法有效地避免了接線電阻的干擾，提高了PT100鉑電阻的檢測(cè)精度。

圖1 PT100接線示意圖

在氣象行業(yè)使用的采集器中，通常使用AD7793進(jìn)行溫度檢測(cè)，AD7793芯片是適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、帶有3 個(gè)差分模擬輸入的24 位∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器（Analog/Digital Controller，ADC）[1]，具有以下特點(diǎn)：1）轉(zhuǎn)換精度高，24 位數(shù)據(jù)輸出；2）芯片集成度高，內(nèi)置24 位∑-Δ調(diào)制器、緩沖器、基準(zhǔn)電壓源、恒流源、儀表放大器和片內(nèi)數(shù)字濾波器；3）具有3個(gè)差分模擬輸入通道，可以被設(shè)置為緩沖模式或無(wú)緩沖模式；4）接口電路要求低，可以直接接收來(lái)自應(yīng)變器或傳感器的模擬量輸入；5）分辨率高、噪聲很低，因此對(duì)于前端的抗混疊濾波器的要求也大大降低，一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器即可；6）該芯片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響；7）具有三線式SPI接口，通過(guò)MCU靈活控制和配置AD7793片內(nèi)寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7793芯片的控制[2]。

AD7793四線制鉑電阻檢測(cè)電路(圖2)，AD7793用于四線制鉑電阻接法時(shí)，采用IOUT1端口輸出恒定電流源，為了保證精度，將PT100與0.1%精度的R5高精度電阻串聯(lián)，使用AD7793的AIN1端口以及REDIN端口作為電壓采集端口，這樣的接法可以有效地消除接線電阻產(chǎn)生的壓降而引入的誤差，并且可以通過(guò)恒定電阻的接入，能夠作為參考更準(zhǔn)確的計(jì)算PT100的電阻值，從而計(jì)算當(dāng)前檢測(cè)溫度。

圖2 AD7793四線制鉑電阻檢測(cè)電路原理圖

1.2 ZigBee模塊及硬件電路設(shè)計(jì)

應(yīng)用于小區(qū)域的密集溫度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線傳輸可以大大節(jié)省使用成本，提高溫度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的快捷性，本節(jié)點(diǎn)的通訊方式采用ZigBee無(wú)線傳輸方式。

ZigBee技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，它是一種短距離、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本和高可靠性的無(wú)線通信技術(shù)。該節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用具有UART接口的DRF1609H型ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊以CC2630為核心器件，CC2630是雙ARM核-32 位CPU芯片，Cortex-M3負(fù)責(zé)ZigBee協(xié)議的處理，Cortex-M0負(fù)責(zé)無(wú)線通信的處理。DRF1609H為3.3 V供電，工作模式可配置，波特率與通訊參數(shù)可配置，與MCU的接線（圖3）。

圖3 ZigBee模塊電路

DRF1609H通過(guò)UART與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其中D1為ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)指示燈，D2為ZigBee模塊工作狀態(tài)指示燈，R1和R2需為510 Ω。

1.3 MCU選擇與電路連接

該節(jié)點(diǎn)的MCU采用STM32系列單片機(jī)，STM32微處理器融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的處理器。STM32采用SPI總線與AD7793進(jìn)行通訊，采用UART方式與ZigBee模塊進(jìn)行通訊，電路(圖4)[3]。

圖4 MCU微處理器電路

本模塊選用48 腳基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103CBT6作為中央處理器，它完成溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理以及各電路模塊的功能協(xié)調(diào)與控制。

2 程序設(shè)計(jì)

固件程序使用Keil開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)，該節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)入初始化，進(jìn)行AD7793芯片的配置，其次檢測(cè)是否收到總機(jī)命令，根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。然后通過(guò)AD7793讀取PT100鉑電阻以及參考標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓值，進(jìn)行溫度值的轉(zhuǎn)換與計(jì)算，最后通過(guò)UART與DRF1609H模塊進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)與總機(jī)的通訊，程序流程(圖5)。

圖5 程序流程

3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

該節(jié)點(diǎn)完成制作后，使用檢定合格的HY-T型高精度氣溫傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，選用WFY-201B型恒溫槽模擬溫度，使用檢定合格的RCY-1A型自校式鉑電阻數(shù)字測(cè)溫儀作為校準(zhǔn)比對(duì)儀器[3],比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（表1）。

表1 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)/℃

從上表的無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與RCY-1A檢測(cè)對(duì)比值可以看出，兩個(gè)設(shè)備的測(cè)溫誤差值最大小于0.2 ℃。

4 結(jié)論

采用四線制PT100溫度傳感器與AD7793芯片開(kāi)發(fā)的ZigBee無(wú)線溫度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)精度優(yōu)于0.2 ℃，同時(shí)可以進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，方便組網(wǎng)，能夠作為特定區(qū)域內(nèi)溫度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)單元，具有較廣的應(yīng)用范圍。