基于ADS1248高精度測溫裝置的設(shè)計

張樹青，李 妍，王步洲，李朝陽，李國吉

(1.航空四站裝備修理廠，河北石家莊 050071；2.河北工業(yè)大學計算機科學與軟件學院，天津 300401；3. 東旭集團有限公司，河北石家莊 050000；4. 石家莊凱普特動力傳輸有限責任公司，河北石家莊 050000)

基于ADS1248高精度測溫裝置的設(shè)計

張樹青1，李 妍2，王步洲3，李朝陽3，李國吉4

(1.航空四站裝備修理廠，河北石家莊 050071；2.河北工業(yè)大學計算機科學與軟件學院，天津 300401；3. 東旭集團有限公司，河北石家莊 050000；4. 石家莊凱普特動力傳輸有限責任公司，河北石家莊 050000)

針對疫苗的運送及倉儲過程中對環(huán)境溫度的嚴格要求，設(shè)計了高精度的測溫裝置。選用了Pt100作為溫度傳感器，采用四線制測量方法去除了傳輸線上的干擾，設(shè)計了比例測量法使系統(tǒng)的精度僅依賴于一個高精度電阻。選用的ADS1248芯片內(nèi)部包含了PGA放大器及24位ADC芯片，降低了裝置的復(fù)雜性，同時具有較高的分辨率。經(jīng)測試,本裝置的測溫精確達到0.1 ℃，能夠滿足疫苗的運送及倉儲的要求。

ADS1248; 四線制測量; 高精度測溫；比例法

溫度測量[1-2]與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉儲和產(chǎn)品流通等環(huán)節(jié)中，需要對產(chǎn)品所處環(huán)境的溫度進行精密控制，比如疫苗的存儲和運輸，這就要求人們能夠高精度地測量溫度以實施相應(yīng)的溫度調(diào)控。本測溫裝置在傳統(tǒng)一味追求高精度的測溫器件以達到測溫精度的基礎(chǔ)上在電路的設(shè)計中也進行了調(diào)整，以更大程度地提高溫度測量的精度。

1 裝置工作原理及硬件設(shè)計

1.1ADS1248介紹

ADS1248 是高度集成的24 bit精密ADC芯片，集成了低噪音可編程增益放大器(PGA)， 單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密Delta-Sigma ADC 振蕩器輸入切換器(input mux)，集成了兩路恒流源,可采樣4組差分或7組單端輸入，還具有50 /60 Hz 同步抑制模式;傳感器斷線檢測功能設(shè)計中選用該芯片可在不影響性能的情況下減少器件數(shù)量，ADC的數(shù)據(jù)速率高達2 ksps，功耗僅為2.56 mW，芯片集成度高，應(yīng)用中可簡化電路設(shè)計。

1.2Pt100四線制測阻值原理[3-4]

由于Pt100的電阻范圍很小，通常在幾十歐姆到一百幾十歐姆，用Pt100的電阻來表示溫度的大小，導線上等效的電阻將不能忽略，傳統(tǒng)的測試方法忽略了導線上等效的電阻勢必將引起很大的誤差，對于高精度的測量，這么大的誤差是不允許的。本裝置采用四線制測電阻的方法能夠完全消除連接導線上的等效電阻的影響，精度高穩(wěn)定性好。測試電路圖如圖1所示。

圖1 四線制測量電阻阻值Fig.1 Four-wire resistance measurement

如圖1所示，四線制測溫的時候在A點加入恒流源，那么AB兩端將產(chǎn)生一定的壓降，這個壓降包括了導線上的等效電阻壓降，這時不測量AB兩端而是測量ab兩端的壓降，這樣就去除了導線上等效電阻的壓降，得到了恒流源經(jīng)過電阻時產(chǎn)生的真實壓降，從而提高測溫的精度。

1.3裝置總體設(shè)計

裝置的核心部分電路如圖2所示。

如圖2所示，讓ADS1248集成的恒流源流經(jīng)待測熱敏電阻和高精度電阻R0，R0兩端的電壓作為ADS1248芯片ADC的參考電壓。待測電阻Pt100的電壓接到ADS1248的模擬輸入口的AIN0和AIN1，AIN0和AIN1兩端的電壓經(jīng)ADS1248的PGA放大，然后進行ADC，得到電壓值，轉(zhuǎn)換成電阻值，最后對照Pt100得出當前的溫度值。

圖2 測溫電路Fig.2 Temperature measurement circuit

圖2的測溫電路簡單實用，它巧妙地利用ADS1248的恒流源同時流經(jīng)待測電阻R1和產(chǎn)生ADC參考電壓的電阻R0，使得R1與R0之間的電壓等于它們之間的電阻，避免了因為參考電壓的誤差而引起的系統(tǒng)誤差，也簡化了軟件編程的計算。同時，這個電路可以進行熱敏電阻的短路和斷路檢測，當熱敏電阻R1短路時，ADC的值為0，當R1斷路時，ADC的值為最大值。所以當ADC的值接近于0或者接近于最大值時可以認為待測電阻已經(jīng)短路或者斷路。

2 裝置軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件控制程序流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of software

由于本裝置電路簡單，而且選用了集成度很高的ADS1248芯片，使得軟件設(shè)計非常簡單，選用一般的單片機就可以滿足要求，程序流程也很簡單。對芯片、單片機I/O接口等進行初始化后檢測一下電路的連接是否正常，如果正常直接采集ADC的值，然后轉(zhuǎn)化為溫度值。在每次采集ADC之前檢測一下待測電阻是否有斷路或者短路情況。

在把ADC采集的值轉(zhuǎn)換成溫度值時，需要查詢Pt100的電阻溫度對應(yīng)表，因為對應(yīng)表內(nèi)的數(shù)據(jù)精確到了0.01 Ω，現(xiàn)在假設(shè)電阻在0.01 Ω間隔上電阻與溫度是線性關(guān)系。這種假設(shè)引入的誤差最大為1%。

當本系統(tǒng)用于要求精度高的測溫系統(tǒng)時，需要將溫度數(shù)據(jù)做進一步處理，顯示出來或者通過通信接口傳輸?shù)较乱粋€系統(tǒng)(比如控制系統(tǒng))。這時只需要通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸出去就可以了。

3 裝置的高精度理論分析[5-6]

3.1Pt100的精度

Pt100溫度傳感器是一種以白金(Pt)做成的電阻式溫度檢測器,它的阻值和溫度是正相關(guān)的。當Pt100在0 ℃時的阻值為100 Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但它們之間的關(guān)系并不是簡單的正比關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。通過大量的實驗，已經(jīng)獲得了一個精度為1 ℃的阻值溫度關(guān)系表，在使用中查表即可。因為該裝置是高精度測溫裝置，所以假設(shè)2個相鄰整數(shù)溫度之間是線性關(guān)系，以提高測量精度。Pt100屬于一種高精度的熱敏電阻，目前的制作工藝其阻值精確度可達到0.5%。

3.2四線制測量電阻阻值的精度

根據(jù)1.2節(jié)分析，四線制測電阻時去除了導線上的等效電阻的影響，這種方法測量電阻阻值其精度幾乎可以達到100%，電阻的測量誤差可以忽略不計。

3.3ADS1248的ADC精度及其他可能引起的精度誤差

ADS1248集成了24 bit的高精度ADC電路，其測量最大誤差為0.001%。在通常的ADC轉(zhuǎn)換電路中還存在因為參考電壓的誤差引起的測量誤差，在3.1節(jié)介紹中已經(jīng)說明，本系統(tǒng)采用的比例法測電阻巧妙地避免了這一點。

3.4系統(tǒng)的總體誤差[7-8]

在本設(shè)計中R0選擇高精度的2.2 kΩ電阻(2.2 kΩ電阻經(jīng)1.5 mA電流產(chǎn)生的壓降在ADS1248參考電壓的最佳參考電壓范圍內(nèi))，目前的制作工藝其精度一般為±(0.01%～1%)，取最大誤差1%參與運算。ADS1248的PGA選擇128倍。則滿足式(1)：

(1)

式中：Ie為ADS1248產(chǎn)生的恒流源電流；UADC為ADS1248芯片的AD轉(zhuǎn)換值；UPGA為ADS1248芯片選擇的PGA的值。整理得到

(2)

利用數(shù)值分析的知識算得系統(tǒng)測量熱敏電阻的理論誤差為

(3)

查閱資料知e(R0)為±(0.01%～1%)，現(xiàn)取最大誤差1%參與運算，所以e(R0)的精度誤差為1%；查閱ADS1248數(shù)據(jù)手冊得e(UADC)最大值為0.001%；e(UPGA)最大值為0.01%。代入計算得

(4)

式中：128是ADS1248的PGA放大倍數(shù)。

將e(UADC)取最大值224計算結(jié)果為0.026%。由于Pt100的測量精度為0.026%，而它的制作工藝精度為0.5%，所以相對于Pt100的制作工藝，本系統(tǒng)的測量電阻部分可以認為是零誤差的理想系統(tǒng)。本系統(tǒng)的最終誤差等于Pt100的阻值溫度對應(yīng)表的誤差，精確到了0.1 ℃。在裝置軟件設(shè)計分析中引入了1%的誤差，這個誤差是在精度為0.1的基礎(chǔ)上的1%，可以忽略不計。

4 裝置的高精度測試[9-10]

本裝置溫度測量值和更高精度溫度測量值的對比表見表1。

表1 本系統(tǒng)測溫精度對比表

在分析中知道該系統(tǒng)裝置的溫度精確到了0.1 ℃。為了更準確地測試本系統(tǒng)的精度，在對比時保留到0.01 ℃，對比儀器選用重慶風云儀器有限公司的恒溫槽低溫鑒定裝置，它有不同的規(guī)格，可滿足-80～500 ℃的溫度標定，溫度波動≤±0.005 ℃，水平溫差≤±0.005 ℃，最大溫差≤±0.01 ℃。

通過表1的比較，本系統(tǒng)的測溫裝置精度很高，達到了0.1 ℃。

5 結(jié) 語

通過對本系統(tǒng)的理論分析及實際測試與更高精度的測量儀器進行對比，本系統(tǒng)對測試電路上的改進等方法的確提高了系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。使系統(tǒng)的測溫精度精確到0.1 ℃以內(nèi)。能夠滿足許多對溫度測量和控制要求高的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。本系統(tǒng)電路設(shè)計簡單容易實現(xiàn)，性能穩(wěn)定，性價比高，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以更廣泛的使用。

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Design of high precision temperature measuring device based on ADS1248

ZHANG Shuqing1, LI Yan2, WANG Buzhou3, LI Chaoyang3, LI Guoji4

(1.Aircraft Four Stations Repair Equipment Factory, Shijiazhuang Hebei 050071, China; 2. School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 3. Dongxu Group Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 4. Shijiazhuang Captain Power Transmission Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China)

Due to the strict requirement of environment temperature on the transportation and storage of vaccine, a temperature measuring device with high precision is introduced. Pt100 is selected as temperature sensor, the interference of transmission line is removed by using four-lines measuring method. And a ratio measurement method is designed so that the precision of the system depends only on a high precision resistor. The using chip of ADS1248 contains a PGA amplifier and a 24 bit ADC chip, which reduces the complexity of the device and provides high resolution. The measurement precision reaches 0.1 ℃, meeting the vaccine delivery and storage requirement.

ADS1248; four-lines resistance measurement; high precision temperature measurement; ratio measurement method

1008-1534(2013)04-0249-04

TH811

A

10.7535/hbgykj.2013yx0407

2013-03-19;

2013-04-17

責任編輯：陳書欣

河北省自然科學基金(E2012208006);河北省教育廳高等學校科學研究計劃(ZH2011243); 河北省教育廳高等學?？茖W研究計劃自然科學優(yōu)秀青年基金(Y2012018)

張樹青(1960-)，男，天津人，工程師，主要從事機械制造方面的研究。

E-mail：hp593@163.com