WZP-24SA隔爆鉑電阻測溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

WZP-24SA隔爆鉑電阻是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測量準(zhǔn)確高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200℃～650℃）范圍的溫度測量中。   

但在這種檢測電路中，不平衡電橋中以及鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性給后的溫度測量帶來了一定的誤差。早期通常采用硬件電路來減小這種誤差。但硬件法不但增加了電路的復(fù)雜性，而且由于包括傳感器在內(nèi)的各種硬件本身的缺陷和弱點(diǎn)，以往往難以達(dá)到較高的指標(biāo)要求。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上引入與檢測技術(shù)直接相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，即軟件算法來實(shí)現(xiàn)線性化處理的要求，可以有效地提高系統(tǒng)的精度，降低成本。   

WZP-24SA隔爆鉑電阻測溫儀通過采用查表線性化得出溫度各點(diǎn)對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，并且利用軟件算法實(shí)現(xiàn)了電路中各參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整選取，在盡可能提高分辨率的情況下使設(shè)計(jì)的電路在給定的溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率近似相等，從而方便了硬件電路的設(shè)計(jì)和電阻的選取，也減小了鉑電阻測溫電路的非線性誤差。   

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)   

測溫儀的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，考慮到功耗及整機(jī)的精度和價(jià)格等問題，鉑電阻測溫儀的單片機(jī)控制器采用ENC的8位78K0系列單片機(jī)，并啟用了看門狗功能，以提高測溫義的抗干擾性能。測溫系統(tǒng)采用不平衡電橋測量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)中進(jìn)行處理和顯示。采集時(shí)顯示值溫度，過設(shè)定值則報(bào)警。本測溫儀通過USB接口與PC機(jī)連接，上位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置采集開始時(shí)間、采集間隔時(shí)間等參數(shù)，并讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。   

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)   

上海自動(dòng)化儀表三廠的鉑電阻的測溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，該測溫儀的測溫電路采用軟件算法中的查表線性化方法，利用軟件算法對電路參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整選取，在保證高分辨率的情況下，使得在給定的溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率近似相等，誤差可達(dá)到0.5級儀表的要求，提高了測溫儀的整體性能。    

輸出的U5將被送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后由微處理器讀入再進(jìn)行處理。通過對溫度測量電路的數(shù)字分析可以得出，U5和Us是成正比的。因此，在設(shè)計(jì)中將Us設(shè)為A/D轉(zhuǎn)換過程中的參考電壓。這樣，即使Us有變化，也不會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。    由于將Us設(shè)為了參考電壓，為了大化測量的分辨率，希望U5的輸出在溫度低向0V靠攏，而在溫度高向Us靠攏。這樣，首先存在的一個(gè)問題便是運(yùn)算放大器的輸出問題。通常，運(yùn)算放大器的輸出并不等于電源電壓，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)飽和問題，這樣便降低了整個(gè)電路的測量分辨率。上海自動(dòng)化儀表股份有限公司在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用的是Rail-to-Rail的運(yùn)算放大器，即輸出上限可以達(dá)到電源電壓，而下降可以達(dá)到0V。這一點(diǎn)對于整個(gè)電路來講是非常關(guān)鍵的。   

3 系統(tǒng)軟件   

系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)即PC端軟件和下位機(jī)即單片機(jī)模塊的軟件兩部分。下位機(jī)由于采用的是NEC的78K0系列單片機(jī)，因此編譯調(diào)試環(huán)境為NEC的Project Manager和ID78K0，程序均用NEC單片機(jī)的C語言編寫；上位機(jī)使用Visual Basic語言編寫。  

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)初始參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)采集完以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及保存。   

測溫儀初始化時(shí)，需要和上位機(jī)連接，然后通過上位機(jī)軟件來確定測溫開始時(shí)間、測溫時(shí)間、溫度報(bào)警大值和小值以及采樣間隔時(shí)間等參數(shù)；測溫儀完成一次參數(shù)采集后，可以將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件來畫出溫度數(shù)據(jù)的波形，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PC機(jī)中。由于測溫儀外擴(kuò)了256K的EEPROM24C256，基本上可以滿足多次測溫的要求。   

 下位機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度采集。首先用戶通過上位機(jī)軟件來設(shè)定溫度采集的開始時(shí)間、采集時(shí)間間隔以及報(bào)警溫度等各個(gè)參數(shù)，然后開始采集溫度數(shù)據(jù)。采集時(shí)顯示值溫度，當(dāng)溫度出報(bào)警溫度值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號。   

該測溫儀已經(jīng)投入生產(chǎn)，應(yīng)用在食品等生產(chǎn)運(yùn)輸過程的溫度監(jiān)控中。鉑電阻測溫電路的查表線性化的方法，自適應(yīng)調(diào)整選取了電路參數(shù)，減少了鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性以及不平衡電橋中非線性特性引起的系統(tǒng)訪問，使得系統(tǒng)誤差達(dá)到0.5級儀表的要求，提高了測溫儀的整體性能，可以滿足一些對溫度變化比較敏感的食品加工等場合的溫度監(jiān)控的需求。