基于Pt100運用查表法實現(xiàn)的高溫溫度計設(shè)計

摘要 針對高溫溫度計存在體積大、成本高、操作復(fù)雜及實際測量依賴電腦而不能獨立工作等缺點，研究了溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示等問題，設(shè)計出以STC89C52為核心，基于Pt100溫度傳感器和液晶1602顯示的鉑電阻高溫溫度計。該溫度計的測量范圍從-200～+500℃，精度為1℃。實驗表明，該高溫溫度計具有測溫范圍廣、性能穩(wěn)定、工作可靠、擴展能力強和可獨立工作等特點。
關(guān)鍵詞 溫度計；傳感器；液晶顯示；查表法

    在現(xiàn)實生活中，測溫裝置形式多樣，但大多數(shù)存在測溫范圍小的缺點，使其應(yīng)用范圍受到限制。例如：汽車發(fā)動機、空調(diào)壓縮機、輪船等溫度往往較高，使用一般的溫度計難以測量，使用大型的測溫設(shè)備不但測量成本高，而且也不易攜帶。文中設(shè)計了一種便于攜帶，且實用又能適應(yīng)高溫環(huán)境的高溫溫度計。
    高溫溫度計的原理框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)是基于Pt100的高溫溫度計，Pt100模擬溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行采集，然后把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后傳給單片機，單片機接收數(shù)據(jù)并處理后，在液晶屏上顯示測量的溫度值。

1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計
1．1 電源電路
    系統(tǒng)用3節(jié)5號干電池串聯(lián)，電壓接近4．5 V，剛好滿足設(shè)計的電源電壓要求。電源處理芯片的選擇方面考慮的重點是效率高、工作電壓低、體積小，經(jīng)過仔細(xì)對比后，選擇了以下電源處理芯片。
    TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf 2．5～36 V范圍內(nèi)的任何值。在本文中用作橋式測溫電路的參考電壓，還具有多種應(yīng)用，例如：分流校準(zhǔn)器、串聯(lián)校準(zhǔn)器、開關(guān)校準(zhǔn)器、電壓參考等。
在T1431與電源引腳間加上一個100 Ω電阻用于限流，地引腳端直接接地，電壓輸出2．5 V接到橋式測溫電路作為基準(zhǔn)電壓，注意基準(zhǔn)電壓必須穩(wěn)定，不然會影響測溫準(zhǔn)確性。
    LM1117是具有穩(wěn)定的電壓輸出的校準(zhǔn)器，可以輸出穩(wěn)定的1．2 V，1．5 V，1．8 V，2．5 V，2．85 V，3．3 V，5 V等電壓。設(shè)計中用LM1117穩(wěn)壓至3．3 V為A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器提供穩(wěn)定的電壓保證。在電源和地引腳之間加上電容C4和C5用于去耦濾波。
    Intersil公司生產(chǎn)的ICL7660是提供雙電壓的COMS集成芯片，它在提供正負(fù)電壓方面有獨特的優(yōu)勢。ICL7660可以提供+1．5～+10 V和-1．5～-10 V的正負(fù)電壓。ICL7660正輸出電壓Vout+和負(fù)輸出電壓分別接入INA126電源的正負(fù)極。電源模塊的電路原理如圖2所示。

    圖2中VCC5是電源電壓，經(jīng)過LM1117芯片輸出為3．3 V，為INA126(儀表放大器)、ADS7816和ICL7660供電。經(jīng)過TL431輸出2．490 V的電壓，為橋式放大電路和ADS7816提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。ICL7660把+3．3 V轉(zhuǎn)換為-3．3 V，為儀表放大器提供負(fù)電壓。因為單片機和液晶顯示器的工作電壓范圍廣，所以VCC直接和總電源相連。
1．2 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
    因為Pt100是模擬溫度傳感器，且溫度測量范圍廣，所以設(shè)計采用ADS7816，A／D電路圖如圖3所示。管腳VREF接橋式測溫電路的基準(zhǔn)電壓，管腳+IN信號數(shù)據(jù)輸入口接INA126運放的輸出端，-IN、GND管腳分別接地。管腳CS片選端接單片機的P1.6口，低電平有效，當(dāng)P1.6口置低電平時A／D選通，開始工作。管腳Dout信號數(shù)據(jù)輸出口接單片機的P1.5口，用于讀取A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。管腳LOCK時鐘信號口接單片機的P1.4口，單片機P1.4口提供A／D連續(xù)時鐘脈沖，保證A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取的正常。管腳VCC接經(jīng)LM1117穩(wěn)定后的輸出電壓3．3 V。設(shè)計采用STC公司的89C52單片機作為核心，在系統(tǒng)中用89C52單片機來讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并處理，然后控制液晶顯示，是設(shè)計中所有器件的核心模塊。
    單片機與A／D連接電路圖如圖3所示。

1．3 顯示模塊
    基于液晶1602顯示內(nèi)容豐富，功耗低等優(yōu)點，選用液晶1602作為顯示模塊。液晶的第1管腳是接地管腳，管腳VCC接電源，液晶的管腳VL外接電源串聯(lián)一個10 kΩ的電位器后接地，用來調(diào)節(jié)液晶的亮度對比度，使其顯示清楚、準(zhǔn)確。管腳RS接單片機的P1.0口。管腳RW接單片機P1.1。管腳EN接單片機P1.2口，是液晶的使能管腳。液晶的數(shù)據(jù)口(7～14管腳)接單片機的P0.0～P0.7口，液晶的數(shù)據(jù)口采用8位并口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。第15，16管腳是液晶背光燈的正負(fù)極，分別接VCC和GND即可。液晶連接電路圖如圖4所示。

1．4 Pt100測溫電路
    系統(tǒng)的測溫模塊由兩個1 kΩ電阻，一個電位器和Pt100組成橋式測溫電路。橋式測溫原理如圖5所示。

    電橋的輸入電壓通過TL431穩(wěn)壓至2．5 V，經(jīng)過測量得到電橋?qū)嶋H輸入電壓為2．49 V。電橋的4個橋臂中的一個橋臂采用電位器，因為通過調(diào)解電位器可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，設(shè)計中用此電位器來調(diào)整零點。
    Pt100數(shù)據(jù)手冊推薦使用LM358芯片放大差分信號，由于LM1117提供給運放的電壓只有3．3 V，供電電壓過低會導(dǎo)致運放工作不正常，電壓放大倍數(shù)和理論計算的放大倍數(shù)誤差很大，這樣直接導(dǎo)致放大倍數(shù)不穩(wěn)定，影響測溫精確度。經(jīng)過比較選擇發(fā)現(xiàn)INA126精密儀器儀放大器，具有高精度，低噪聲差分信號采集的優(yōu)點，它的兩個運放設(shè)計提供卓越性能具有非常低的靜態(tài)電流(175 mA／chan)，結(jié)合寬工作電壓范圍±1．35～±18 V的，使其成為高性能的運算放大器。所以改用INA126作為運算放大器，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)穩(wěn)定。系統(tǒng)中放大倍數(shù)約等于6．27倍。由于INA126需要雙電源供電，所以使用ICL7660進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，這樣可以輕松得到負(fù)電壓對INA126進(jìn)行雙電源供電。通過INA126對電橋信號進(jìn)行差分放大。橋式差分放大電路圖如圖6所示。

    對電位器R6進(jìn)行零點調(diào)整可以得到U_=50．012 mV。INA126對U+和U_進(jìn)行差分放大，放大后電壓U0=F×(U+-U_)，F(xiàn)是電壓放大倍數(shù)，經(jīng)過測量得到F=6．27。所以
   
   
    這樣得到Pt100的電阻值與經(jīng)過INA126放大后的電壓關(guān)系，把U0送入A／D，通過A／D轉(zhuǎn)換，單片機算出Pt100的電阻值，然后查表，查到的電阻值與表中的相近時，得出此時的溫度值，然后送出數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示。

2 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件包括溫度采集部分、A／D轉(zhuǎn)換模塊，接收結(jié)果處理顯示部分。整個程序采用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計。
    設(shè)計采用Pt100模擬溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機通電后，Pt100由于溫度變化，引起電阻發(fā)生變化，進(jìn)而橋式測溫電路的電壓值發(fā)生變化，經(jīng)過差分放大、A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機。單片機始終等待A／D轉(zhuǎn)換值的到來，因為本設(shè)計只需要測量溫度，所以沒有采樣周期，讀取A／D值的程序放入無限循環(huán)中。在設(shè)計中，由于Pt100的電阻值和溫度不成線性關(guān)系，所以設(shè)計用Matlab擬合函數(shù)創(chuàng)建一個電阻值一溫度對應(yīng)表格，查表得到溫度值。程序開始后，先對液晶屏、A／D進(jìn)行初始化處理，然后確定液晶屏在空閑狀態(tài)，調(diào)用液晶寫地址指令函數(shù)，使液晶屏分兩行顯示，接著調(diào)用液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)在第1行寫入溫度計的英文Thermometer，第2行寫入查表得到的溫度值。
    A／D模塊，首先對A／D初始化，然后把A／D的CS管腳、時鐘脈沖CLK拉至高電平，接著把CS拉至低電平開始采樣。在寫程序的時候要注意先發(fā)送給A／D兩個下降沿脈沖，然后才開始采樣數(shù)據(jù)。實驗證明，如果直接進(jìn)行采樣，會導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)誤差很大。采樣完成后給CS管腳拉至高電平，停止采樣，返回數(shù)值。接著進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的采樣。主程序流程圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試
    液晶模塊的硬件電路接好后，接通電源，調(diào)節(jié)與LCD連接的電位器，使液晶顯示亮度適中，顯示結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相同，液晶模塊測試正常。開啟電源，Pt100開始測溫，利用水銀溫度計做參考，計算Pt100溫度測量誤差。Pt100溫度測量結(jié)果如表1所示。

    由于設(shè)計的溫度計精度只有1℃，所以小數(shù)點后的溫度值都為0，經(jīng)過測試計算，溫度測量的平均誤差為2．5％。

4 結(jié)束語
    在程序模塊，開始沒有利用查表法，直接用公式進(jìn)行計算，誤差較大。經(jīng)過不斷地修改，發(fā)現(xiàn)查表法很好地解決了這個問題，在系統(tǒng)的大范圍測溫中，這個誤差在高溫環(huán)境下影響不大。系統(tǒng)可以用于高溫環(huán)境中，測溫準(zhǔn)確、操作方便、成本低廉，有較高的實用性。還可以經(jīng)過改善做成無線收發(fā)系統(tǒng)，成為遠(yuǎn)距離測溫控制系統(tǒng)。