基于MSP430的三線制Pt100測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 意， 王午鑫

(天津工業(yè)大學(xué) 工程教學(xué)實(shí)習(xí)訓(xùn)練中心，天津 300300)

0 引 言

針對(duì)礦用帶式輸送機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，溫度測(cè)量的對(duì)象主要有：電機(jī)軸、減速機(jī)、滾筒、導(dǎo)料槽周邊、落料管及周邊溫度等，各個(gè)被測(cè)對(duì)象的溫度范圍不同，傳感器探頭的導(dǎo)線較長(zhǎng)，要求的測(cè)量精度高，測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，而電路工作的環(huán)境溫度變化大，要求Pt100鉑電阻測(cè)溫電路具有高精度、大量程、低溫漂、低功耗和低成本等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外使用Pt100傳感器測(cè)量溫度，大多具有局限性，其溫度測(cè)量范圍僅針對(duì)某一特定的應(yīng)用場(chǎng)景，測(cè)溫范圍較??；在減少溫度漂移方面考慮不足，缺乏對(duì)電路器件的分析和選擇，沒(méi)有進(jìn)行高低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)，因而其設(shè)計(jì)出的測(cè)溫系統(tǒng)僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，難以適應(yīng)不同的工作環(huán)境；鮮有采用低功耗設(shè)計(jì)理念，當(dāng)其大量應(yīng)用于實(shí)際工作中，功耗的疊加會(huì)對(duì)電源系統(tǒng)提出更高的要求，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，且方案并非成本最優(yōu)。文獻(xiàn)[1]提出的Pt100測(cè)溫電路存在較為明顯的理論誤差，該誤差會(huì)隨著測(cè)量范圍的增大而增加。本文在修正了現(xiàn)有Pt100測(cè)溫電路理論誤差的基礎(chǔ)上，綜合考慮擴(kuò)展測(cè)量范圍、減少溫漂、降低功耗與成本，提出一種滿足帶式輸送機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)溫要求的Pt100測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)硬件電路調(diào)理與采集，結(jié)合軟件算法的擬合與修正，可以完全消除導(dǎo)線電阻誤差，測(cè)量精度高，量程覆蓋帶式輸送機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)溫范圍，溫漂、功耗和成本相對(duì)較低，最終通過(guò)通信接口將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，電路需要采集Pt100的電阻值，將電阻值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值，并通過(guò)通信接口將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。因此，系統(tǒng)的硬件電路如圖 1所示，包括兩部分：三線制Pt100信號(hào)調(diào)理電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)采樣與控制電路。

圖1 硬件框圖

1.1 三線制Pt100信號(hào)調(diào)理電路

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器探頭一般離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)，而銅導(dǎo)線在20 ℃的電阻率約為0.017 2 Ω·mm2/m，長(zhǎng)距離的導(dǎo)線勢(shì)必存在導(dǎo)線電阻值，而該電阻值會(huì)影響Pt100測(cè)溫的精度，因此，使用三線制Pt100傳感器，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，消除導(dǎo)線電阻值帶來(lái)的誤差。三線制Pt100信號(hào)調(diào)理電路包括三部分：恒流源電路、Pt100采樣電路和放大電路。

1.1.1 恒流源電路

如圖2所示，恒流源電路以運(yùn)算放大器U1，2.5 V精密穩(wěn)壓器D1和精密電阻器R3為核心，利用運(yùn)放的電壓跟隨特性設(shè)計(jì)而成。

圖2 恒流源電路仿真

精密穩(wěn)壓器D1和電阻器R1串聯(lián)接在電壓和參考地之間，此時(shí)U1的正輸入端與正電源之間的電壓為精確的2.5 V，電阻器R3接在正電源和U1的負(fù)輸入端之間，根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”特性可知，R3兩端的電壓為精確的2.5 V。Q1和Q2兩級(jí)PNP三極管組成復(fù)合三極管，其電流放大倍數(shù)是Q1和Q2的放大倍數(shù)的乘積。選擇放大倍數(shù)大于100的2N5401，則復(fù)合三極管的電流放大倍數(shù)大于10 000，因此，參考電流Iref約等于Q2的IE，精確度優(yōu)于0.01 %，則恒流源電流Iref恒等于流經(jīng)R3的電流。由于R3上的電壓是2.5 V，所以放大器的輸出電壓小于2.5 V，在不影響放大器輸出擺幅的情況下，且為確保放大器能夠輸出與參考地相近的電壓，并盡量降低系統(tǒng)功耗，使用低電壓±5 V供電。文獻(xiàn)[2，3]均使用惠斯通電橋，而電橋在消除導(dǎo)線誤差時(shí)，功耗較高。因此本文設(shè)計(jì)不采用。

電路中R3取5.1 kΩ，經(jīng)仿真驗(yàn)證，當(dāng)Pt100的阻值在50～400 Ω變化時(shí)，恒流源的輸出電流Iref恒定為490.192 μA，與理論值基本一致。

為確保設(shè)備精度，且能夠適應(yīng)各種惡劣工作環(huán)境，運(yùn)算放大器選用OP37AZ，其工作溫度為-55～+125 ℃，溫漂低至0.6 μV/℃，長(zhǎng)期失調(diào)電壓僅為0.2 μV/月。2.5 V穩(wěn)壓器選用溫漂低至10×10-6/℃、穩(wěn)壓精度高達(dá)0.05 %的LM4030穩(wěn)壓器，電阻器選用10×10-6的低溫漂、千分之一精密電阻器。

1.1.2 Pt100采樣電路

為了消除長(zhǎng)距離傳輸線上帶來(lái)的電阻誤差，系統(tǒng)采用比例減法器，將傳輸線上的誤差消除。如圖3所示，三線制Pt100傳感器等效為3個(gè)相等的導(dǎo)線電阻r1，r2，r3和可變電阻Rpt的串并聯(lián)模型。恒定電流Iref沿線流經(jīng)r1、可變電阻Rpt和r3，導(dǎo)線電阻誤差是由于傳感器回路中串接了r1和r3，消除導(dǎo)線壓降即可得到標(biāo)準(zhǔn)的傳感器電壓。

圖3 三線制Pt100采樣電路

根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛斷”，取R4=R6=200 kΩ，R5=R7=100 kΩ，得

(1)

由“虛短”,V4+=V4-,得Vo=Ua-2Uc。

由于R5的阻值是導(dǎo)線電阻r2的萬(wàn)倍以上，r2的壓降忽略不計(jì)，認(rèn)為Ub=Uc。導(dǎo)線電阻r1和r3上的壓降是相同的，均等于Ub，所以,消除導(dǎo)線壓降后的Pt100電壓VRP，即放大器的輸出電壓為

VRP=Vo=Ua-2Ub

(2)

為確保運(yùn)算精度，R4，R5，R6，R7均使用低溫漂、千分之一精度的精密電阻器。

1.1.3 放大電路

如圖4所示，放大電路采用OP37AZ有源放大電路，將采樣電路輸出的電壓Vo放大。

由于主控芯片外接ADC的參考電壓為1.25 V，其單極性采集范圍為0～0.625 V。當(dāng)被測(cè)溫度在-50～+550 ℃之間變化時(shí)，Pt100的阻值在80～300 Ω之間變化，則Vo的變化范圍為39.215～147.057 mV。故將Vo放大4倍，即可將電壓放大到ADC采集的全量程，有Vadc=4Vo=4(Ua-2Ub)。

因此，Pt100的電阻值Rpt與Vadc的關(guān)系如下

(3)

文獻(xiàn)[1]中的Pt100采樣電路與放大電路共用同一個(gè)放大器，其輸入輸出傳遞函數(shù)成立的條件是：比例減法電阻值R6，R7應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于比例放大電阻值R8和R9[4]。而電路中其阻值僅相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯然結(jié)果是不精確的。故本文設(shè)計(jì)中Pt100采樣電路和放大電路分別使用獨(dú)立的放大器，利用放大器的高輸入阻抗、低輸出阻抗特性，將比例減法電路與比例放大電路獨(dú)立開(kāi)來(lái)，徹底消除理論誤差。為確保測(cè)量精度，R11，R12器均使用低溫漂、千分之一精度的精密電阻器。

1.2 ADC采樣與控制電路

由于Pt100測(cè)溫電路廣泛地分布于實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)埋設(shè)的點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，其功耗的增加意味著對(duì)系統(tǒng)電源輸出能力和可靠性的要求進(jìn)一步提高。而系統(tǒng)要求0.1 ℃以上的分辨率和-50～+550 ℃的大量程，則ADC的分辨率要大于14位?？紤]到Pt100測(cè)量結(jié)果的線性擬合與修正，主控芯片的RAM要大于512 B，F(xiàn)lash要大于4 kB。故本文設(shè)計(jì)采用內(nèi)部集成16位ADC的低功耗主控芯片MSP430FE4272。該芯片內(nèi)部集成兩通道16位差分ADC，具有1 kB RAM和32 kB閃存，使用16位精簡(jiǎn)指令集，最小指令周期為125 ns，休眠模式下最低工作電流可降低至0.1 μA， 具有多種通信接口，符合設(shè)計(jì)需求。

如圖5所示，放大電路的輸出阻抗小[5]，單片機(jī)內(nèi)部的ADC輸入阻抗在100 kΩ以上，故將放大電路的輸出Vadc直接接在單片機(jī)的差分ADC正輸入引腳，ADC負(fù)輸入引腳接信號(hào)地。單片機(jī)內(nèi)部的參考電壓精確度較低，為±5 %，故使用外接參考電壓源REF3012，該芯片輸出電壓為1.25 V，精確度高達(dá)0.2 %，工作溫度為-40～+125 ℃，全溫度范圍內(nèi)的溫漂僅為75×10-6/℃，符合設(shè)計(jì)需求。

圖5 ADC采樣與控制電路

2 軟件設(shè)計(jì)

Pt100的Rpt與溫度T的一般關(guān)系[5]

Rpt=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3]

(4)

式中R0為Pt100鉑電阻在溫度為0℃時(shí)的阻值，權(quán)重系數(shù)A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。而根據(jù)傳感器生產(chǎn)廠家的不同，權(quán)重系數(shù)有所差別。根據(jù)式(3)、式(4)，可以將ADC采集到的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度。而對(duì)于單片機(jī)而言，解三次方程的過(guò)程較為復(fù)雜，且溫度T的高次冪權(quán)重系數(shù)較小，電阻值和溫度的線性度較好，則利用傳感器廠家提供的溫度與電阻值對(duì)照表，采用遍歷查表法，通過(guò)式(5)進(jìn)行一次插值，即可簡(jiǎn)便而精確地計(jì)算出溫度

(5)

式中T為被測(cè)溫度，Tn為-50～+550 ℃范圍內(nèi)的第n個(gè)整數(shù)溫度，溫度Tn對(duì)應(yīng)的Pt100電阻值記為Rn。如圖6所示，單片機(jī)周期性地采集Vadc的值，計(jì)算出電阻值RT，遍歷查表，找到使Rn≤RT

圖6 程序流程

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，針對(duì)Pt100測(cè)溫電路，主要進(jìn)行測(cè)溫精度實(shí)驗(yàn)和高低溫度漂移實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，-50～+550 ℃的大范圍精確溫度難以模擬，而某一溫度下Pt100的電阻值精確已知，故而利用高精度電阻來(lái)模擬Pt100在已知溫度下的電阻值，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

使用美國(guó)安捷倫科技有限公司的U3402A型5位半數(shù)字萬(wàn)用表選取具有代表性的精密電阻器，在25 ℃室溫環(huán)境下，對(duì)-50～+550 ℃全量程內(nèi)溫度進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

如表1所示，選取80～300 Ω之間的18個(gè)電阻值，分別對(duì)應(yīng)Pt100鉑電阻器在-50.80～557.69 ℃之間的18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度。經(jīng)過(guò)測(cè)溫電路，得到實(shí)測(cè)溫度，由表可知，其測(cè)算誤差均小于0.1 ℃。將導(dǎo)線長(zhǎng)度延長(zhǎng)至50 m和100 m不等，數(shù)據(jù)與表1基本一致，說(shuō)明三線制Pt100測(cè)溫系統(tǒng)可以消除導(dǎo)線誤差。

表1 溫度測(cè)試

針對(duì)帶式輸送機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作環(huán)境，測(cè)溫電路工作的溫度范圍為-20～70 ℃。對(duì)于高低溫漂移測(cè)試，將測(cè)溫電路置于恒溫恒濕老化實(shí)驗(yàn)箱中，靜止30 min后，以10 ℃為間隔，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度為0 ℃時(shí)的Pt100鉑電阻器(100.00 Ω)進(jìn)行測(cè)量，得到的實(shí)測(cè)溫度如表2所示。

表2 高低溫漂移測(cè)試 ℃

可以看出，測(cè)溫電路在正常工作溫度范圍內(nèi)的溫漂在±0.3℃以內(nèi)，這是由于電路中放大器、參考電壓源和電阻器等元器件的微弱溫漂綜合作用所致，但其誤差較小，基本滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作要求。

4 結(jié) 論

針對(duì)實(shí)際工作需求，經(jīng)過(guò)理論誤差分析、軟件仿真、電路設(shè)計(jì)、插值擬合修正以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文所述三線制Pt100測(cè)溫系統(tǒng)，具有精確度高、測(cè)溫范圍廣、溫度漂移低等優(yōu)點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)在考慮到功能需求滿足的情況下，遵循低功耗、低成本的設(shè)計(jì)理念，因此，該三線制Pt100測(cè)溫系統(tǒng)具有很好的實(shí)用和參考價(jià)值。