基于鉑電阻的數字溫度測量系統設計

　　摘要：在某企業開發的加工控制系統中，溫度范圍是-100℃～600℃，測量誤差小于1％。針對本系統所需的溫度測量要求，選用了精度高的鉑電阻作為溫度傳感器，模數轉換使用MSP430F149內部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測量系統具有低功耗、結構簡單，使用方便，可以擴展成多路溫度測量等優點。
　　
　　引言
　　
　　在某企業開發的加工控制系統中，溫度范圍是-100℃～600℃，測量誤差小于1％。針對本系統所需的溫度測量要求，選用了精度高的鉑電阻作為溫度傳感器，模數轉換使用MSP430F149內部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測量系統具有低功耗、結構簡單，使用方便，可以擴展成多路溫度測量等優點。
　　
　　1、硬件設計
　　
　　根據測試系統所要求的測量范圍，選用的傳感器為鉑電阻PT100，Pt100的測量范圍是－200到850，從PT100的分度表可以計算出線性度為，無法達到測量精度的要求，所以需要一個線性補償的信號調理電路，線性補償電路通過采用XTR105芯片，通過溫度測量范圍匹配電阻，從而達到設計要求。AD轉換用MSP430F149單片機內部12位分辨率的ADC。LCD是2行×16列的字符型液晶顯示器。系統的電路框圖如圖1所示。　　
　　1.1MSP430單片機
　　
　　MSP430是德州公司新開發的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器。具有統一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個12位的模數轉換器、一個看門狗、6路I/O端口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。對于FLASH型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有JTAG調試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內，再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內CPU狀態，以及存儲器內容信息供設計者調試，整個開發都可以在同一個軟件集成環境中進行。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和C語言。
　　
　　1.2PT100溫度傳感器
　　
　　溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它可以通過物體隨溫度變化的某些特性（如電阻、電壓變化等特性）來間接測量，金屬鉑（Pt）的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現性和穩定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω/℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區（-200～650℃）zui常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用。PT100的溫度/電阻曲線如圖2所示。　　
　　按IEC751標準，溫度系數TCR=O.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）為統一設計型鉑電阻。TCR=（R100一R0）/（R0×100）。PT100與PT1000的標準阻值如表1所示。　　
　　溫度/電阻特性公式如下：
　　
　　-200<0℃Rt="R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]
　　
　　0<850℃Rt="R0（1+At+Bt2]
　　
　　其中Rt在t℃時的電阻值，R0在0℃時的電阻值　　
　　1.3信號調理電路設計
　　
　　由于鉑電阻的溫度電阻特性具有線性度不好，在進行線性補償時選用XTR105，鉑電阻線性補償電路如圖3所示。各個電阻的計算公式如下。
　　
　　其中,RZ=RTDzui小測量溫度，　　
　　RL選用時注意MSP430單片機ADC的參考電壓，ADC的參考電壓設置為外部電源電壓3.3V，采用150的低溫漂高精度電阻，RL的電壓范圍在0.6V到3V之間，RL可直接接MSP430的模擬信號輸入端進行模數轉換。線性補償電路設計中的電阻按照XTR105手冊提供的計算方法來確定，其中RZ為PT100在-100℃時的電阻（60Ω），R2為600攝氏度時的電阻（314Ω），R1=RTDResistanceat（-100+600）/2=194Ω，經過公式計算，RG=581Ω，RLIN1=4.3kΩ。z
　　
　　2、軟件設計
　　
　　在程序設計中使用C語言編程，使用C語言設計將會帶來一下幾點好處：1：可以大大提高軟件開發的工作效率；2：可以提高所設計的程序代碼的可靠性、可讀性、可移植性；3：設計者可以更多地集中在充分發揮MSP430的功能上。MSP430可以進行多個模擬通道的ADC模數轉換，進行ADC模塊設置時需要設置通道、參考電壓等相關寄存器，由于ADC轉換的數值是2進制的，轉換值送LCD顯示前要使轉換值變換成ASCII型數據，程序流程如圖3所示。　　
　　3、測試結果
　　
　　完成硬件與軟件的設計后，進行系統聯試。首先測試ADC的功能模塊，測試的方法采用高精度的可變電阻器替代鉑電阻PT100的阻值，根據鉑電阻PT100分度表調節對應溫度的可變電阻的阻值，從-100℃到600℃區間取15個點，每50℃測試一次，記錄AD轉換值。溫度和轉換值進行zui小二乘法線性擬合，計算出線性度等測量系統的指標。線性度計算結果為小于1％，測量數據如下：　　
　　AD轉換功能調試結束后，對AD轉換值進行數據處理，使測量值準確地顯示在LCD上。
　　
　　4、結論
　　
　　測試結果表明，此溫度測量系統通過設計合理的信號調理電路，達到了一定的精度要求，并且具有穩定可靠的性能，設計結構簡單，功耗低等優點。