基于PT100的多路溫度巡檢儀設(shè)計(jì)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 崔懷兵

1.引言

PT100在-50～600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等[1]，正是基于此，PT100在各個(gè)行業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一款基于PT100的多路溫度巡檢儀，可同時(shí)測(cè)量8路PT100信號(hào)，通過數(shù)碼管同時(shí)顯示時(shí)鐘、8路溫度值；具有4個(gè)按鍵輸入，用于出場(chǎng)調(diào)校、報(bào)警值設(shè)定，并且最終調(diào)校參數(shù)可保存在單片機(jī)自帶的EEPROM中；另外，巡檢儀還具有語音報(bào)警功能。

2.巡檢儀硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由信號(hào)前置變換、放大電路，按鍵電路，顯示驅(qū)動(dòng)電路，語音報(bào)警電路，時(shí)鐘電路幾部分組成。

2.1 信號(hào)前置變換電路

巡檢儀采用惠斯通電橋接入PT100信號(hào)，考慮現(xiàn)場(chǎng)接線時(shí)導(dǎo)線的長度不可忽略[2]，采用三線制接法，如圖1所示。

圖1中V1，F(xiàn)1，F(xiàn)2起保護(hù)作用，可防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)干擾或接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致元器件損壞。IN1A、IN1B之差與PT100阻值變化呈線性關(guān)系，通過將IN1A、IN1B變化值采樣再對(duì)應(yīng)P100刻度表即可換算得到實(shí)測(cè)溫度。圖1中R2，R3，R4均采用低溫漂的精密電阻。

REF1為給電橋供電的基準(zhǔn)源，將PT100變化的阻值信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)?？紤]到PT100電阻變化值小，所轉(zhuǎn)換成的差值電壓在毫伏級(jí)，因此電源波動(dòng)對(duì)最終采樣精度影響很大?；诖耍捎肔M4040-2.5V精密基準(zhǔn)源給電橋供電。

2.2 信號(hào)放大電路

由IN1A、IN1B兩引腳所產(chǎn)生的壓差信號(hào)非常微弱，直接采樣影響精度，因此需要將其放大后再引進(jìn)單片機(jī)采樣腳。圖2為信號(hào)放大電路。8路PT100信號(hào)通過多路模擬開關(guān)選擇輪流采樣，D4，D5為8通道模擬開關(guān)，CTRL0、CTRL1、CTRL2、CTRL3連接到單片機(jī)引腳，對(duì)采用通路的控制選擇，將差分信號(hào)輸出到Vin+，Vin-引腳上。

考慮到PT100探頭產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇儀表放大器結(jié)構(gòu)。儀表放大器擁有差分式結(jié)構(gòu)，對(duì)共模噪聲有很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對(duì)微弱信號(hào)的放大[3]。巡檢儀的信號(hào)放大采用如圖3的三運(yùn)放儀表放大電路。

圖3中信號(hào)由Vin+，Vin-輸入，D2，D3對(duì)輸入電壓信號(hào)起緩沖作用。V3，V4其保護(hù)作用，鉗制輸入信號(hào)間的最大差分電壓。電阻均采用低溫漂的精密電阻，其中R9=R12，R10=R13，R11=R14，由此可得放大后的ADin引腳的電壓Uo為

由式(1)可看出，通過增減R8的阻值即可改變?cè)鲆妫玫嚼硐氲姆糯蟊稊?shù)。

2.3 按鍵電路設(shè)計(jì)

溫度巡檢儀設(shè)有4個(gè)按鍵，用于出廠調(diào)校，參數(shù)設(shè)定。兩個(gè)鍵用于參數(shù)的增加，另外兩個(gè)按鍵一個(gè)用于鍵功能確認(rèn)，按下后開始標(biāo)校溫度；剩下一個(gè)按下后可以對(duì)報(bào)警溫度值設(shè)定。電路如圖4所示，按鍵不按時(shí)單片機(jī)引腳檢測(cè)為高電平，按下后變?yōu)榈碗娖健?/p>

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

數(shù)碼管的顯示分為動(dòng)態(tài)顯示跟靜態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示除變更數(shù)據(jù)期間，各顯示器均處于通電狀態(tài)，每個(gè)顯示器通電占空比約為100%。動(dòng)態(tài)顯示就是逐位地點(diǎn)亮顯示器的各位，N個(gè)顯示器共占用一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)顯示器通電占空比時(shí)間約為1/N[4]。

溫度巡檢儀需要顯示8路溫度值(每路3位數(shù)碼管)，時(shí)鐘的時(shí)、分(各兩位數(shù)碼管)，若采用靜態(tài)顯示，占用單片機(jī)管腳太多，不太現(xiàn)實(shí)，并且功耗增加?；诖丝紤]，巡檢儀數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示。另外，溫度正常指示、低報(bào)警、高報(bào)警對(duì)應(yīng)的信號(hào)指示燈也可采用動(dòng)態(tài)顯示。顯示程序?qū)⑿枰@示的數(shù)據(jù)按列拆分，通過移位寄存器將其逐位移位，移位完成后，打開控制腳，點(diǎn)亮數(shù)碼管，延時(shí)一定時(shí)間，然后接著點(diǎn)亮下一列。

采用動(dòng)態(tài)顯示時(shí)這里有兩種方式，一種是將3位的顯示溫度的數(shù)碼管跟2位的顯示時(shí)鐘的數(shù)碼管組合在一起，成為5列，分5次點(diǎn)亮；采用這種方式全點(diǎn)亮?xí)r間較長，對(duì)點(diǎn)亮?xí)r間延時(shí)、時(shí)間間隔等要求較高，但可以減少芯片數(shù)量。第二種取最大列數(shù)為3列，點(diǎn)3次點(diǎn)亮，其優(yōu)缺點(diǎn)跟第一種方式相反。這里考慮芯片數(shù)量、PCB板尺寸等因素，采用第一種方式，見圖5。

圖5中只畫出了兩組顯示，將顯示溫度的數(shù)碼管跟顯示時(shí)鐘的數(shù)碼管合在一起，總共5列。其中U1，U2為移位寄存器HEF4094，第一個(gè)的串行輸出連接到第二個(gè)的數(shù)據(jù)輸入，依此類推，每個(gè)HEF4094對(duì)應(yīng)一路顯示，總共8路。當(dāng)一列的數(shù)據(jù)全部移位完成，對(duì)應(yīng)每個(gè)HEF4094上的8位正確輸出時(shí)，控制LED_1到LED_5，點(diǎn)亮數(shù)碼管。

2.5 語音報(bào)警電路

巡檢儀具有超溫報(bào)警功能，根據(jù)設(shè)定的溫度分為兩級(jí)報(bào)警。當(dāng)?shù)竭_(dá)不同級(jí)別的報(bào)警溫度時(shí)播放相應(yīng)的語音，當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)用語音提示一下溫度正常，因此需要3段語音。

語音報(bào)警電路如圖6所示。采用YF017型OTP語音芯片，其工作電壓為2.2～6V，具有PWM輸出，2腳3腳輸出驅(qū)動(dòng)喇叭。它共有3個(gè)IO口，外圍最低僅需要一個(gè)104電容就可以穩(wěn)定的工作，通過單片機(jī)最少一個(gè)IO口可以控制多達(dá)32段聲音。

控制原理說明：芯片采用了模擬串行的控制方式。如需要播放第幾個(gè)地址的內(nèi)容就向DAT引腳發(fā)送幾個(gè)脈沖(大于0.2ms即可，建議采用1ms左右)。芯片工作時(shí)(播放聲音)，BUSY引腳輸出低電平，停止工作或者待機(jī)時(shí)，保持高電平；RST引腳任何時(shí)候收到一個(gè)脈沖的時(shí)候，可以使芯片的播放指針歸零(就是DAT腳恢復(fù)到初始狀態(tài))，同時(shí)即刻使芯片停止工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2.6 時(shí)鐘顯示

巡檢儀的時(shí)鐘顯示功能是基于DS1302芯片實(shí)現(xiàn)的。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，并能夠?qū)γ吭碌奶鞌?shù)和閏年的天數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘可以采用24小時(shí)制，也可以采用12小時(shí)。DS1302功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1uW，在沒有電源供電的情況下，可以工作長達(dá)10年的時(shí)間[5]。

電路原理如圖7所示。DS1302與單片機(jī)的連接僅需要3條線：RST復(fù)位引腳、SCLK串行時(shí)鐘引腳、I/O串行數(shù)據(jù)引腳，Vcc1為備用電源；外接32.768kHz晶振，為芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。

2.7 單片機(jī)選型

巡檢儀單片機(jī)采用PIC18F4580，其內(nèi)部帶EEPROM，調(diào)校完成后可將調(diào)校參數(shù)存儲(chǔ)，而不用每次上電都重新調(diào)校。

3.巡檢儀軟件設(shè)計(jì)

巡檢儀軟件的工作流程設(shè)計(jì)成這樣，上電后初始化，讀取EEPROM中的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，報(bào)警數(shù)值。進(jìn)入主循環(huán)后對(duì)信號(hào)采樣計(jì)算，換算成對(duì)應(yīng)的溫度值送到數(shù)碼管顯示。若在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)有功能鍵，或者報(bào)警設(shè)定鍵按下，則進(jìn)入設(shè)定調(diào)校程序。

主程序流程如圖8所示。

3.1 初始化函數(shù)void Data_Init(void)

圖1 信號(hào)前置變換電路

圖2 信號(hào)放大電路

圖3 三運(yùn)放儀表放大電路

圖4 按鍵電路

圖5 顯示電路

圖6 語音報(bào)警電路

圖7 時(shí)鐘顯示電路

初始化函數(shù)主要對(duì)輸入輸出口，AD采樣初始化，時(shí)鐘芯片DS1302初始化，讀取EEPROM中的調(diào)校報(bào)警數(shù)值。

DS1302初始化為多字節(jié)突發(fā)模式傳輸數(shù)據(jù)，提高效率。另外，由于巡檢儀采用的是普通的紐扣電池，因此在模式寄存器中將充電功能屏蔽。

對(duì)于保存在EEPROM中的數(shù)據(jù)例如調(diào)校值，在初始化時(shí)需將其讀出放到特定的數(shù)組中。

定時(shí)器主要用于語音報(bào)警時(shí)的脈沖寬度，目前設(shè)置成1ms。

圖8 主程序流程

圖9 語音報(bào)警程序流程

3.2 AD采樣

AD采樣的流程是這樣的，在中斷中讀出采樣值，并置標(biāo)志位，在主循環(huán)中檢測(cè)到標(biāo)志位后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于8路信號(hào)是通過模擬開關(guān)切換，因此需注意在當(dāng)前采集完成切換到下一路時(shí)需設(shè)定可靠延時(shí)以保證采樣電容能充電充分。

由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，因此我們需要對(duì)PT100刻度表分段線性化，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式得出當(dāng)前溫度值。

測(cè)量精度和可靠性是儀器的重要指標(biāo)，由于電阻電容的差異性、現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的污染，不是每次采樣都能采得正確的數(shù)值，因此需要通過軟件來修正、濾波。

數(shù)字濾波法有用于克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法，也有適用抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數(shù)據(jù)平滑。因此常把前面介紹的兩種以上的方法結(jié)合起來使用，形成復(fù)合濾波。

巡檢儀AD采樣軟件設(shè)計(jì)采用去極值平均濾波算法：先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進(jìn)行平均濾波。連續(xù)采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N－2個(gè)采樣的平均值。顯然，這種方法既能抑制隨機(jī)干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾[6]。

3.3 語音報(bào)警

當(dāng)溫度超過報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)輸出脈沖控制語音芯片報(bào)警輸出。報(bào)警脈沖的輸出通過定時(shí)器定時(shí)，定時(shí)器1ms中斷一次，在定時(shí)器中判斷是否需要輸出，是否輸出完成。需要播放語音時(shí)設(shè)置變量N，代表需要播放第N段，通過在定時(shí)器中遞減來輸出語音。程序流程如圖9所示。

4.調(diào)校

巡檢儀設(shè)有4個(gè)按鍵，兩個(gè)鍵用于參數(shù)的增減少；另外兩個(gè)按鍵一個(gè)用于鍵功能確認(rèn)，按下后開始輪流標(biāo)校溫度值。正常運(yùn)行過程中，按下功能鍵，從第一路個(gè)位數(shù)碼管開始閃爍。通過增減鍵確認(rèn)后再按下功能鍵，標(biāo)校完成，下一位開始閃爍，等待標(biāo)校。第一路完成標(biāo)校后將標(biāo)校差值參數(shù)存入EEPROM，進(jìn)入下一路調(diào)校。若不需要調(diào)校，按功能鍵或等待一定時(shí)間可退出調(diào)校流程。

運(yùn)行時(shí)按下報(bào)警設(shè)定鍵則可以設(shè)定報(bào)警值，跟標(biāo)校流程一樣。

5.結(jié)語

本文介紹了基于PT100型鉑電阻的多路溫度巡檢儀的軟硬件設(shè)計(jì)，該巡檢儀硬件設(shè)計(jì)實(shí)用可靠；軟件中采用分段線性法對(duì)比得到實(shí)測(cè)溫度，并采用了多種濾波方式，誤差精度得到提高。該巡檢儀目前已應(yīng)用于汽車上軸溫監(jiān)測(cè)、一些大型電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測(cè)，從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，精度較高，能很好適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)，特別是需要多點(diǎn)測(cè)溫的地點(diǎn)。

[1]王愛華.多路PT100-III型信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊電子技術(shù)及信息科學(xué)[J].自動(dòng)化技術(shù),2004(10).

[2]暢世聰.電阻型傳感器三線制接法探討[J].儀表技術(shù),1998(4).

[3]張石銳,鄭文剛,黃丹楓,等.微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(23).

[4]李海濤,儀維,梁磊.PIC單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)典型模塊[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[5]程德福,林君.智能儀器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.