精度高鉑電阻溫度測(cè)量方法

摘要:鉑電阻是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中廣泛使用的理想測(cè)溫元件。常規(guī)的溫度采集方法是通過(guò)測(cè)量電阻橋的不平衡電壓來(lái)實(shí)現(xiàn),其性能依賴(lài)于選取的模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度,精度高測(cè)量成本過(guò)高。提出一種新的精度高,低成本的鉑電阻測(cè)溫方法。先用RC振蕩器將鉑電阻變化調(diào)制為時(shí)變頻率信號(hào),再用SSP1492芯片測(cè)量該頻率變化量,最后送入C8051F021單片機(jī),用高階多項(xiàng)式完成頻率變化到溫度變化的解算,實(shí)現(xiàn)精度高溫度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的測(cè)量精度等級(jí)高于a03%(Es)。
　　標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)具有精度高.高靈敏性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表的溫度測(cè)量。現(xiàn)有方法大多是先將電阻變化通過(guò)電阻橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再經(jīng)過(guò)一系列濾波和放大處理后,送入A/D轉(zhuǎn)換器完成溫度采集。這類(lèi)方法需解決好以下問(wèn)題:
(1)由于溫度對(duì)鉑電阻阻值和放大器帶來(lái)的影響,系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。在高精度測(cè)量中,尋找有效的溫度補(bǔ)償方法是需要面臨的難題之一。
(2)隨著測(cè)量精度的提高,高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的價(jià)格增大,導(dǎo)致測(cè)量?jī)x器成本過(guò)高是所面臨的另一個(gè)問(wèn)題。
　　給出一種新的鉑電阻測(cè)溫方法,通過(guò)RC振蕩器,將鉑電阻變化量轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào),解決了傳統(tǒng)方法中由于溫度變化及不平衡電阻橋所帶來(lái)的非線(xiàn)性問(wèn)題;通過(guò)測(cè)量頻率變化量值來(lái)解算鉑電阻的阻值變化，從而計(jì)算出被測(cè)溫度值,省去A/D環(huán)節(jié),在精度高測(cè)溫時(shí)降低了設(shè)備成本。
1測(cè)量原理
1.1傳感器信號(hào)調(diào)理
　　使用傳感器首要的問(wèn)題是如何將傳感器輸出的模擬信號(hào)數(shù)字化,本設(shè)計(jì)采用了一種將鉑電阻阻值變化調(diào)制為時(shí)變頻率信號(hào)的方法。為把傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換成頻率變化,可將鉑電阻放入RC振蕩電路,如圖1所示。振蕩電路由比較器和連在正反饋端的觸發(fā)器組成,在振蕩電路中,傳感器看作可變電阻。通過(guò)對(duì)觸發(fā)器設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝导纯蓪鞲衅鞯淖柚底兓D(zhuǎn)換為時(shí)變頻率方波)信號(hào)。再將該信號(hào)輸入到如圖2所示的計(jì)數(shù)器,在給定的循環(huán)周期內(nèi)利用高速計(jì)數(shù)器解調(diào)頻率信號(hào)，從而數(shù)字化為與振蕩頻率成比例的值,繼而成比例于被測(cè)物理量(溫度值)。
 
1.2測(cè)量結(jié)果推算
　　根據(jù)上述調(diào)理方案,要完成溫度解算,最直接的方法是先由測(cè)得的計(jì)數(shù)值,計(jì)算出信號(hào)變化的頻率值,由于頻率與RC震蕩電路的時(shí)間常數(shù)成反比關(guān)系,即
 
　　式中:Fe為測(cè)得的信號(hào)變化頻率值;R為鉑電阻阻值;C為振蕩器電容值;k為時(shí)間比例系數(shù)。
　　由式(1)可知,如果Fe、C和k已知,就能求出鉑電阻當(dāng)前的R,繼而由阻值換算出溫度值。然而,上述方法需處理好如”下問(wèn)題:
(1)求取k較繁瑣,需通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能確定推導(dǎo)過(guò)程并不復(fù)雜),實(shí)踐證明,其互換性較差。
(2)電路中難免存在一些寄生電容和開(kāi)關(guān)電阻等,會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的推算。如電路中的開(kāi)關(guān)電阻會(huì)與鉑電阻阻值疊加，成為式(1)中的R部分;電容也有類(lèi)似的情況,要消除這些干擾的代價(jià)很大。
為此,提出一種直接用多項(xiàng)式擬合來(lái)解算溫度值的方法。即在儀器的測(cè)量范圍內(nèi)均勻改變恒溫槽溫度,同時(shí)記錄計(jì)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)溫度值,然后用高階多項(xiàng)式對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到計(jì)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)溫度值的映射關(guān)系,從而得到一組多項(xiàng)式系數(shù),以后測(cè)得的新的計(jì)數(shù)值用該組系數(shù)即可算出對(duì)應(yīng)的溫度。避免了上述問(wèn)題中繁瑣的試驗(yàn)及中間計(jì)算環(huán)節(jié)導(dǎo)致的各種誤差,系統(tǒng)標(biāo)定、校準(zhǔn)過(guò)程簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)化。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
21硬件設(shè)計(jì)
　　硬件主要包括了C8051F021主控模塊、信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊、電源模塊,串口通信模塊及顯示模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。
 
2.1.1單片機(jī)選型
　　單片機(jī)負(fù)責(zé)接收.上位機(jī)發(fā)送的各種控制命令,根據(jù)命令控制采集電路完成溫度測(cè)量,并將結(jié)果送回上位機(jī)。現(xiàn)有測(cè)量?jī)x表使用的微處理器大多是8位和16位,也有少數(shù)采用32位。出于便攜性考慮,微處理器的體積應(yīng)盡量小,功耗應(yīng)盡量低。實(shí)時(shí)性和正確性要求微處理器的運(yùn)算速度要快。選擇SiliconLabs公司生產(chǎn)的C8051F021微處理器,該處理器采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位核心,具有增強(qiáng)型指令集,最高達(dá)20MIPS。C8051F021微處理器的待機(jī)功耗很低,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)低于1μA,在喚醒模式下的功耗小于20μA;支持SPIIC及RS-232等申行總線(xiàn),滿(mǎn)足需要的各種外設(shè)接口。特別適合需高性能,低功耗與多種封裝選擇以獲得系統(tǒng)成本的應(yīng)用。
2.1.2電源設(shè)計(jì)
　　提供兩種供電方式:3.6V鋰電池或外接5V直流電源方式。由于選擇大多芯片的正常工作電壓為3.3V,在用鋰電池供電時(shí),電源轉(zhuǎn)換時(shí)損失的電壓不能太高,否則電路無(wú)法正常工作。選用MC2211作為電源轉(zhuǎn)換芯片,該芯片能夠接受2.25~550V的電壓輸入,因而同時(shí)兼容鋰電池和5V直流電源兩種供電方式;它以80mV/100mA的壓降提供最大150mA和300mA兩路輸出,能最大限度的發(fā)揮鋰電池的電量;選擇兩路電源輸出的目的是將系統(tǒng)供電與無(wú)線(xiàn)模塊供電分離,消除干擾。外接電源接口設(shè)計(jì)為A型USB接口,便于用臺(tái)式機(jī),特別是移動(dòng)電腦供電或充電。
2.1.3溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
　　測(cè)溫原理已在第1.2小節(jié)給出,其核心電路如圖4所示。由于SSP1492能接受的振蕩器頻率在1MHz內(nèi),而PT100溫度傳感器的電阻值約為1002,所以選用6800pF的固定電容即可構(gòu)成滿(mǎn)足要求的RC振蕩器。SSP1492下方的是計(jì)數(shù)參考時(shí)鐘電路,該電路能產(chǎn)生18MHz的時(shí)鐘信號(hào),用于頻率信號(hào)解調(diào)計(jì)數(shù)器觸發(fā)的時(shí)鐘基準(zhǔn)。
 
　　SSP1492與微控制器C8051F021間采用共同的電源和復(fù)位源,數(shù)據(jù)交互通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)發(fā)送命令到SSP1492,控制振蕩器開(kāi)關(guān),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)操作等,SSP1492計(jì)數(shù)結(jié)束后,置位STAIUS引腳,以中斷的方式告知單片機(jī),單片機(jī)再通過(guò)SPI總線(xiàn)讀取測(cè)量結(jié)果并清除中斷標(biāo)記,如此循環(huán)完成信號(hào)采集。
2.1.4通信接口設(shè)計(jì)
　　與上位機(jī)之間的通信接口采用RS-232標(biāo)準(zhǔn),在距離較近時(shí)可采用串口線(xiàn)連接,距離較遠(yuǎn)或多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)采用無(wú)線(xiàn)連接方式。選用HACUEM型微功率數(shù)傳模塊,該模塊的最大發(fā)射功率小于80mW,采用433MHz載頻頻段,在9600bp的波特率下能可靠傳播1200m以上,且滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)測(cè)試,在較復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，該模塊能穩(wěn)定.有效的傳送數(shù)據(jù)。
　　HACUEM雖兼容UART和RS-232兩種接口，但PC機(jī)不提供UART方式,需在單片機(jī)和PC之間用MAX232芯片對(duì)串口電平進(jìn)行轉(zhuǎn)化以匹配兩者的電平。而HACUEM則直接并聯(lián)到單片機(jī)的UART上,這樣,有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式即可根據(jù)需要選用。.
2.15顯示模塊設(shè)計(jì)
　　C8051F021沒(méi)有集成液晶驅(qū)動(dòng)模塊,所以測(cè)溫儀選用GXM1602C點(diǎn)陣式字符液晶顯示器模塊來(lái)顯示測(cè)量到的溫度值和計(jì)數(shù)值等信息,該液晶模塊與微處理器間的連接較簡(jiǎn)單,操作方便。電路連接如圖5所示。
 
2.2軟件設(shè)計(jì)
　　為合理分配計(jì)算開(kāi)銷(xiāo),在軟件結(jié)構(gòu)上采用上下位機(jī)配合的方式。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,圖形顯示和數(shù)據(jù)的后臺(tái)保存工作;而單片機(jī)主要處理一些邏輯控制或?qū)崟r(shí)性要求較高的處理任務(wù)。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在軟件結(jié)構(gòu)清晰,各功能模塊易于管理和維護(hù)。
2.2.1單片機(jī)端軟件設(shè)計(jì)
1)系統(tǒng)初始化。在單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。首先是C8051F021自身的初始化,然后是對(duì)SSP1492的初始化,完成后將初始化狀態(tài)標(biāo)志置位(該標(biāo)志用于，上位機(jī)查詢(xún)硬件初始化狀態(tài)),最后進(jìn)入節(jié)電模式等待上位機(jī)發(fā)送命令。
2)通信與數(shù)據(jù)幀格式。測(cè)溫系統(tǒng)與上位的通信采用兼容RS-232的通信方式。測(cè)溫儀作為從機(jī)，上位機(jī)作為主機(jī)控制并監(jiān)視測(cè)溫儀,以半雙工方式互傳數(shù)據(jù),通信波特率為9600bps其格式采用1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。通信幀格式定義為:起始符(1Byte)、從機(jī)地址(1Byte)、控制碼(1Byte)、數(shù)據(jù)(NBytes)、校驗(yàn)字節(jié)(1Byte),結(jié)束符(1Byte)。起始字節(jié)表示啟動(dòng)一次通信,將從機(jī).從休眠狀態(tài)喚醒,或?qū)⑵鋸墓ぷ鳡顟B(tài)中中斷;從機(jī)地址用于判斷那個(gè)從機(jī)需要處理主機(jī)命令,未指定的從機(jī)可繼續(xù)保持休眠狀態(tài);控制碼代表從機(jī)要執(zhí)行的任務(wù);校驗(yàn)字節(jié)用來(lái)驗(yàn)證本次通信的正確性,以起始符之后,校驗(yàn)字節(jié)之前所有數(shù)據(jù)加全的低8為作為校驗(yàn)字。每個(gè)從機(jī)預(yù)先都需設(shè)定一個(gè)8位地址,使從機(jī)響應(yīng)主機(jī)與否都能通過(guò)主機(jī)發(fā)送的命令幀中的地址來(lái)判斷,為便于主機(jī)管理,從機(jī)地址還可由主機(jī)重新設(shè)置。另外,上下幀采用統(tǒng)一的格式，因此,下位機(jī)僅需更新命令幀中的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)字節(jié)即可完成上行幀的組裝。從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)輪詢(xún)，從機(jī)應(yīng)答的無(wú)線(xiàn)通信方式。
3)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。當(dāng)設(shè)備初始化成功,且從機(jī)接受到.上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)采集命令后,根據(jù)上位機(jī)發(fā)來(lái)的相應(yīng)的配置信息設(shè)置SSP1492,啟動(dòng)振蕩器,待計(jì)數(shù)周期結(jié)束后,由C8051F021通過(guò)SP聰線(xiàn)從SSP1492內(nèi)部存儲(chǔ)器中將計(jì)數(shù)值讀出,將其轉(zhuǎn)換為IEEE32格式的浮點(diǎn)數(shù),以小端模式存放到數(shù)據(jù)幀緩存中,將發(fā)送待命標(biāo)志置位,關(guān)閉振蕩器并使SSP1492進(jìn)入休眠狀態(tài),完成--次采集任務(wù)。發(fā)送模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)組裝為上行幀,再由RS-232串口發(fā)送回.上位機(jī)。
2.2.2，上位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)
1)濾波。濾波器按照其時(shí)域沖擊響應(yīng)可分為有限沖擊響應(yīng)(FR)和無(wú)限沖擊響應(yīng)(IR)兩大類(lèi)。FIR濾波器具有易設(shè)計(jì),穩(wěn)定性高及線(xiàn)性相位等優(yōu)點(diǎn)。而IIR濾波器可采用較少的權(quán)值得到較長(zhǎng)的沖擊響應(yīng),計(jì)算量較FIR濾波器降低,有效提高了運(yùn)算速度,但不具備線(xiàn)性相位,設(shè)計(jì)過(guò)程也與穩(wěn)定性密切相關(guān)。用IIR近似FIR是一種有效的,能同時(shí)繼承FIR和IIR兩類(lèi)濾波器優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法“。即先設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的FIR濾波器,再通過(guò)降階的IIR濾波器對(duì)其進(jìn)行逼近。采用文獻(xiàn)[9]中的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)值的濾波。
2)數(shù)據(jù)保存格式。微軟推出的office辦公套件中的Excel是-款具有相當(dāng)普及度的電子表格處理軟件,利用它能直觀且方便的完成各種較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。不需編制任何軟件,只需在Excel的相應(yīng)單元格中輸入相應(yīng)的公式即可完成一次數(shù)據(jù)處理。此外，Excel還具有強(qiáng)大的圖形顯示功能,為用戶(hù)提供友好的人機(jī)界面。將采集到的數(shù)據(jù)保存為與Excel兼容的文件格式,每行數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的保存格式,即日期(年1月舊);時(shí)間(小時(shí):分鐘:秒鐘);數(shù)據(jù)1;數(shù)據(jù)2;;數(shù)據(jù)n。這樣做的好處是，一方面,用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行各種查詢(xún)操作;另一方面,利用Excel提供的數(shù)據(jù)處理和圖形功能,能快速的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一-些數(shù)學(xué)分析和顯示,這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)非常有利。.
3)軟件界面設(shè)計(jì)。采用VC++60開(kāi)發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了用于WindowsXP環(huán)境下數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件。圖6是工作中的上位機(jī)軟件界面。左上方以圖形方式動(dòng)態(tài)的顯示采集到的數(shù)據(jù),每條曲線(xiàn)表示相應(yīng)通道采集到的溫度。右上方是控制面板,給出常用的控制信息,方便用戶(hù)快速操作,這些信息還包含在下拉菜單當(dāng)中。最下方顯示的是最近幾次采集的歷史數(shù)據(jù),與圖形顯示區(qū)不同，這里以數(shù)值形式給出,并與保存格式相同。
 
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　為驗(yàn)證所提出方法的有效性,用兩組實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。
1)第一組為檢定實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)的目的是檢定測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量精度。使用國(guó)家--等溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置由一等數(shù)字測(cè)溫儀，Pt100一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻,RTS-40C型恒溫槽組成。該裝置的測(cè)量范圍為-60~+60℃,檢定系統(tǒng)的最大不確定度為±00039C,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為26℃,濕度RH=61%。檢定結(jié)果如表1所示。
 
　　由表1可看出,被測(cè)溫度從-50~+60℃變化了110℃,而實(shí)測(cè)溫度值與標(biāo)準(zhǔn)溫度值的最大誤差為0.03℃,所以系統(tǒng)的最大測(cè)量誤差小于0.03%(Es)。
2)第二組為比對(duì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖潜容^測(cè)溫系統(tǒng)與現(xiàn)有精度高的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫系統(tǒng)間的正確性。溫度傳感器為兩支相同型號(hào)且同一批次的一等標(biāo)準(zhǔn)Pt100鉑電阻。在試驗(yàn)中，兩支傳感器放置在恒溫槽中部且靠的足夠近。此外,考慮到恒溫控制打開(kāi)時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)增加擾動(dòng)，影響兩支傳感器的同步性,為此,全部過(guò)程中恒溫功能均為關(guān)閉狀態(tài),其他條件同試驗(yàn)。
　　在上述條件下,同時(shí)用兩種測(cè)溫儀采集了從-50~+60℃之間的各個(gè)整數(shù)溫度值,進(jìn)行差值后的數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖可看出,在溫度范圍中與1560型Hart溫標(biāo)相比,測(cè)溫儀的絕大多數(shù)溫差在±0.1℃范圍內(nèi),兩者具有較高的吻合度。
 
4結(jié)束語(yǔ)
　　提出了一種新的鉑電阻測(cè)溫方法,給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。總結(jié)如下:
1)與傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換方式不同,提出的方法采用基于頻率的信號(hào)調(diào)理技術(shù),先將鉑電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào),再通過(guò)后續(xù)的頻率計(jì)數(shù)、濾波和高階多項(xiàng)式解算,實(shí)現(xiàn)了采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的精度高測(cè)溫儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出方法的有效性,系統(tǒng)最大測(cè)溫誤差為±003℃,分辨率為0.01℃。
2)測(cè)溫系統(tǒng)的核心硬件由純芯片實(shí)現(xiàn),鉑電阻傳感器實(shí)際上工作在無(wú)源狀態(tài),系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng),功耗低,成本低,體積小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)反復(fù)測(cè)試,當(dāng)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)方式)使用3.6V.1800mA鋰電池供電時(shí),連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)29.5h。
3)理論，上,系統(tǒng)的測(cè)量分辨率僅與傳感器(電阻)的最小變化量有關(guān),但精度高的溫度測(cè)量以增加采樣周期為代價(jià),實(shí)際使用時(shí)需要視具體應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)姆直媛省＝ㄗh用于對(duì)精度具有較高要求,但實(shí)時(shí)性沒(méi)有嚴(yán)格限制的溫度測(cè)量?jī)x器。如標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)溫度比對(duì)器或嵌入式手持測(cè)溫儀等。
采用該方法的測(cè)溫設(shè)備已在高校和企業(yè)中投入使用,并取得了良好的效果。