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鉑電阻測溫電路的線性化設計方法
摘要：介紹一種基于A/D轉(zhuǎn)換原理的鉑電阻測溫的非線性校正方法，分析了鉑電阻線性測溫的原理，并給出了A/D轉(zhuǎn)換器7135與單片機89C51接口電路及試驗數(shù)據(jù)。
關鍵詞：鉑電阻，測溫電路設計，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換非線性校正，數(shù)據(jù)采集
一、引言
鉑電阻溫度傳感器，因其測量范圍大，復現(xiàn)性好，穩(wěn)定性強等特點而被廣泛使用。
在精密測量系統(tǒng)中，鉑電阻測溫系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：鉑電阻信號通常通過橋式電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大及A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器進行處理。為了能對鉑電阻測溫的非線性進行校正，作者利用雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理，設計了一種高精度的鉑電阻測溫非線性校正方案。實踐證明，該方法不僅性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，而且在0～200℃范圍內(nèi)準確度可達到0.15%FS±4字。
二、非線性校正原理
因為鉑電阻經(jīng)橋路檢測后，其輸出電壓UM與被測溫度q之間具有函數(shù)關系：
式中：A，B為常系數(shù)。
如果能構(gòu)造成一個函數(shù)電路，使其具有與上式相同的函數(shù)形式：
同時使UM=UN，則容易得出q=t（這里，“q=t”僅有數(shù)學意義，實際上它們的量綱是不一樣的）。這樣，在UM=UN的前提下，溫度q的測量問題就轉(zhuǎn)化為對時間t的測量了。
以上是本文闡述的以變量變換的形式實現(xiàn)傳感器非線性校正的設計思想。這里t的量綱為時間，其測量過程是通過雙積分A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。雙斜率積分轉(zhuǎn)換表達為：
(1)式中：Uin—A/D轉(zhuǎn)換時模擬輸入電壓，
T1—A/D轉(zhuǎn)換過程中正向積分時間，
T2—A/D轉(zhuǎn)換過程中反向積分時間，
Uref—A/D轉(zhuǎn)換時參考輸入電壓。
當Uref為定值時，Uin與T2具有線性關系，因此這種情況下可以認為A/D輸出結(jié)果為：
T2 = T1Uin / Uref .
假定Uref(t)為時間t的函數(shù)：Uref(t)=M+Nt (2)
其中：M，N為待定常系數(shù)。
A/D轉(zhuǎn)換后的輸出結(jié)果若能完全補償鉑電阻溫度非線性，則有：Uin=aq+Bq2 (3)
故將式（2）和式（3）代入式（1），
假設：AT1=M，BT1=N/2,
則有：T2與q在數(shù)值上大小相等，即T2=q，可見實現(xiàn)了鉑電阻的溫度與數(shù)字量線性轉(zhuǎn)換。
可以看出，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，模擬電壓輸入與數(shù)字量輸出之間不是線性關系，其函數(shù)關系剛好與Rq—q關系相反，當其特性實現(xiàn)了相互完全補償時，就能獲得線性q/T2轉(zhuǎn)換。顯然，利用雙積分A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)非線性校正的關鍵是應能滿足式（3）所表征的函數(shù)關系。本方案采用RC回路極其簡單地達到了該目的。
2. 高精度 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135
鉑電阻測溫電路線性化設計的實現(xiàn)采用了4位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。ICL7135每一個轉(zhuǎn)換周期分為三個階段：自動調(diào)零階段、被測電壓積分階段、對基準電壓Uref進行反積分階段。下面結(jié)合鉑電阻溫度測量分析ICL7135的工作過程：
(1)正向積分階段ICL7135與89C52接口電路原理圖如圖2所示。在此階段，ICL7135對Uin進行定時積分，固定時間T1=10000T0（T0為時鐘周期）。積分器的輸出電壓為：
同時，在此階段基準電容C對電阻R放電。外接電阻R正是為了對鉑電阻溫度特性的二次非線性項進行校正而設置的。此階段完成時，C兩端電壓為：
式中，UW為 t = 0 時電容C兩端電壓值。
將上式在t = T1 處按馬克勞林公式展開, 若選取適當參數(shù)，使 , 則上式可簡化為：
(6)
(2)反向積分階段：
在此階段，基準電容C兩端電壓又被內(nèi)部積分電路進行反向積分，在整個T2階段UC(t)可認為是線性的，T2結(jié)束時積分器輸出又回到零位，此時有： (7)
由式（4）、式（6）、式（7）整理可得：
將式（3）代入上式，得：
令等式兩邊常量對應相等，則有：q=T2。
在T2時間內(nèi), 對A/D轉(zhuǎn)換器進行時鐘計數(shù)，并以數(shù)字量形式輸出，從而定量地將被測溫度值反映出來，實現(xiàn)電路的數(shù)字化測量。
三、ICL7135與單片機89C52接口的新方法
以往使用7135是利用它具有多重動態(tài)掃描的BCD碼輸出來讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，這樣既費時、又占用較多口線。在測控儀表中，盡量少占用微處理器I/O口線，以最少原器件、完成盡可能多的任務是十分重要的。這里介紹的ICL7135與單片機接口的簡易方法，是利用7135的“BUSY”端，只需占用單片機89C51的一個I/O口和內(nèi)部的一個定時器，就可以在十幾微秒的中斷服務程序中把ICL7135的A/D轉(zhuǎn)換值送入單片機內(nèi)。實踐證明，該方法具有實際應用價值。
在圖2中,若89C51的時鐘采用6MHz晶振，在不執(zhí)行movx指令的情況下，ALE是穩(wěn)定的1 MHz頻率，將ALE經(jīng)過二分頻可得到500 kHz的頻率供給ICL7135時鐘輸入端。T0規(guī)定為定時方式1，滿足ICL7135的19999滿量程要求。ICL7135在A/D轉(zhuǎn)換階段, 狀態(tài)輸出引腳BUSY為高電平，指明A/D轉(zhuǎn)換器正處在信號積分和反積分階段，這個高電平一直持續(xù)到消除積分階段結(jié)束。在定時器方式寄存器TMOD中，置T0的門控位GATE為1，利用BUSY作為計數(shù)器門控信號,T0的計數(shù)將受BUSY控制�？刂朴嫈�(shù)器只能在BUSY為高電平時計數(shù)，那么輸入信號：A/D轉(zhuǎn)換值=BUSY高電平期間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)值-10 001
圖2中用ICL 7135的BUSY端接89C52的外部中斷 ， POL為信號極性輸出端，接89C52的P1.7，高、低電平表示被測信號為正、負極性。
四、實驗結(jié)果及誤差分析
在以鉑電阻測溫電路的線性化設計的方案中，誤差來源一方面來自于基準電容放電過程的非線性引起的誤差：當RC取值滿足 時，此項誤差折合成溫度值可小于0.03℃。另一方面誤差來自于A/D轉(zhuǎn)換準確度。當選用4位半A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135時，其準確度為±0.05%，折合最大溫度誤差為0.10℃，兩項誤差相對獨立，電路總體測溫誤差為±0.104℃。本電路經(jīng)組裝后，進行了實際性能測試，實驗數(shù)據(jù)見表1。從測試結(jié)果看，樣機最大誤差為-0.18℃，與分析結(jié)論基本相近。
表1 （鉑電阻分度號為Pt100）
標準溫度(℃)
顯示溫度(℃)
絕對誤差(℃)
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
100.20
110.17
120.05
130.12
140.11
149.95
159.88
169.84
179.84
189.82
200.18
0.20
0.17
0.05.
0.12
0.11
-0.05
-0.12
-0.16
-0.16
-0.18
0.18
參考文獻
[1]R.E.貝德福德、T.M.道芬里、H.普雷斯頓.托馬斯合著：袁光富譯，溫度測量，計量出版社，1995
[2]趙學增，檢測與傳感技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.10
[3]鄭建國，一種高精度的鉑電阻溫度測量方案，自動化儀表，1997.18(8)
The Design for the Linearization of Pt Resistance Temperature Measurement
Abstract： A correcting method of non-linear error for Pt resistance temperature measurement based on the principle of A/D conversion is presented. The design principle of Pt resistance linear temperature measurement is analyzed. Practical circuit for interfacing A/D converter 7135 with single chip computer 89c51 and test data are given
Key words: Pt resistance, Temperature measuring circuit, Analog-digital conversion, Non-linear correction, Samples
第一作者簡介：
蔡輝： 華中科技大學控制科學與工程系，
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