基于鉑電阻的數(shù)字溫度測量系統(tǒng)設計

0 引言

在某企業(yè)開發(fā)的加工控制系統(tǒng)中，溫度范圍是-100℃～600℃，測量誤差小于1％。針對本系統(tǒng)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(shù)轉換使用 MSP430F149內部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測量系統(tǒng)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(yōu)點。

1 硬件設計

根據(jù)測試系統(tǒng)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?shù)男盘栒{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(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

1．1 MSP430單片機

MSP430是德州公司新開發(fā)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(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器。具有統(tǒng)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(shù)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(fā)調試環(huán)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(tài)，以及存儲器內容信息供設計者調試，整個開發(fā)都可以在同一個軟件集成環(huán)境中進行。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。

1．2 PT100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(xiàn)性和穩(wěn)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(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200～650℃)最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)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國際標準，溫度系數(shù)TCR=O.003851，Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統(tǒng)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

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=RTD最小測量溫度，

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(shù)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=RTD Resistance at(-100+600)／2=194Ω，經(jīng)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(fā)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(fā)揮MSP430的功能上。MSP430可以進行多個模擬通道的ADC模數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)，程序流程如圖3所示。