基于单片机的铂电阻四线制测温系统研究

基于单片机的铂电阻四线制测温系统研究

余辛波孙强

贵州航天计量测试技术研究所贵州贵阳550009

摘要：本文介绍了基于单片机的多路测温系统的设计。温度测量采用高精密Pt100四线制铂电阻，铂电阻激励采用运算放大器实现的恒流源方式，模拟电压测量采用16位高精度A/D转换器实现，各路通道切换采用微型继电器进行控制，整个下位机系统通过单片机进行控制，数据处理由PC机进行终端运算处理。本系统结构简单，可靠性高，使用方便。

关键字：Pt100铂电阻、四线制测温、单片机、测温系统

1四线制铂电阻测温的理论概述

铂电阻是利用铂金属丝在温度变化时其电阻随温度变化的特性来进行测温，铂材料的物理特性和化学特性非常稳定，因此铂电阻具有很高的稳定性，是一种理想的测温元件。由于铂电阻阻值小，在远程测量中其测温精度易受导线电阻、接触电阻等的影响，高精度测温系统中，采用四线制测温法消除导线电阻的影响。其原理如图1所示，铂电阻两端引出四根导线可分为两组，其中一组导线连接测量端的恒流源并为铂电阻提供恒流激励I,另一组导线则将恒流激励下铂电阻两端产生的电势差传输给远端的电压采集单元，由于电压采集单元的内阻远大于导线电阻，故导线电阻对铂电阻测温的结果可以忽略不计。根据欧姆定律：U=I×R，，可以计算出铂电阻的电阻值，进而得到对应的温度。

2测温系统及方案研究

2.1恒流源电路结构

铂电阻激励采用恒流源方式，恒流源电路可通过运算放大器来实现，如图2所示，通过检测R5上的电压，并反馈到运放输入端，使输入电流保持恒定。本恒流源电路为负载接地型恒流源，相对负载“浮地”型恒流源具有可简化后续电路，并且可以使用单电源供电的运放等优点。为提高测温精度，本设计选用REF191精密参考源芯片，其输出电压为2.048V,1000h的长期稳定性为1.2mV,相对误差小于0.05%。

为满足恒流源的恒流工作条件，必须保证R1/R3=(R2+R5)/R4。此时，输出电流IL=ViR4/(R3R5)，电流电压变换器的比例系数k=R4/(R5R3),本设计中采用温度系数小于25×10-6,的精密电阻，恒流稳定精度在0.0001mA。

2.2信号调理电路结构

为保证测量精度，铂电阻端测得的电压信号需要经过信号调理电路进行信号放大、电平偏移使其变换到A/D模数转换器的输入电压范围内。本系统采用的调理电路如图3所示，运放采用单电源供电的精密运算放大器AD8607。根据电路图，信号调理电路的输出电压可以表示为VO=R4/R3[Vin(1+R2/R1)-Vref]。

2.3通道控制电路结构

通道控制电路主要用于对测温系统的通道进行切换控制，本设计采用如图4所示的通道切换电路，其控制原理为，所有通道的铂电阻共用恒流源输入和电压测量电路，Ctrl1~Ctrln为单片机控制信号，当单片机发出某一通道的控制信号时，该通道接入恒流源电路和电压测量电路完成温度测量。该电路具体实现是在四线制铂电阻的每一根连接导线上加装一个继电器KA，继电器为常开型继电器，在不通电激励的情况下处于断路状态。当需要对某一个通电的铂电阻进行测温时，单片机对该通道发出控制信号，该通道的继电器全部导通，恒流源对铂电阻输出激励，电压测量单元对铂电阻两端的电压进行测量，以此完成一个通道的测量。

2.4A/D模数转换电路结构

为了满足测温系统速度快、精度高的要求，本系统采用的A/D模数转换电路采用ADS8320转换器，该转换器为串行16位微功耗高速A/D转换器，它的线性度为0.05%，工作电压为2.7V~5.25V，采样频率高达100KHZ。其电路如图5所示，A/D转换器基准电压采用输出为4.096V的REF3040电压基准芯片。ADS8320转换器的+IN端为信号输入端，CS/SHEN端为片选/关断控制端，DCLOCK端为时钟输入端，DOUT端为A/D转换的数字结果串行输出。其工作时序为，当CS/SHEN端产生下降沿时，芯片的整个转换和数据传输过程被初始化，DCLOCK端的最初4.5~5个时钟脉冲用于对输入模拟信号的采样，此时DOUT处于高阻态；在随后的下降沿，DOUT端将输出一个可持续一个脉冲周期的低电平信号，作为将要输出A/D转换结果的标志；紧接着在16个DCLOCK的控制信号下，从最高位（MSB）到最低位（LSB）依次由DOUT输出16位转换结果，完成一个模拟信号的采集。

3系统总体控制原理图及软件流程图方案设计

3.1系统总体控制原理图

测温系统基于单片机控制，其原理图如图6，由Pt100铂电阻传感器、恒流源电路、通道控制电路、信号调理电路、A/D模数转换电路、单片机和PC计算机组成。其控制原理为，PC计算机根据所需测温的通道数量对单片机发出控制信号，对单片机进行初始化；单片机对通道控制电路发出控制信号连通1通道；单片机对A/D模数转换器发出控制信号读取1通道的数据并保存，同时对通道控制信号和A/D转换器复位，完成1通道的数据采集，。单片机重复上述过程完成1~n通道的数据采集。单片机向PC计算机发出数据传输请求，依次将采集的数据传输到PC计算机端，由计算机对采集到的数据进行处理和转换，得到每一个通道的测温结果。

3.2软件流程图方案设计

软件流程图方案由PC端主控程序流程图、测量站数据采集程序控制流程图、数据采集子程序流程图三部分组成。图7为PC端主控程序流程图，主要功能为PC端向单片机测量站发出测量控制信号，读取并保存从测量站采集的数据。图8为测量站数据采集程序控制流程图，主要功能为根据从PC端接收到的采集控制信号，完成相应通道的数据采集并保存测量数据。图9为数据采集子程序流程图，主要功能为根据初始化参数，完成相应通道的数据采集。

4结束语

测温系统广泛应用于工程测量、环境监控、计量检测领域，构成测温系统的设备逐渐向小型化、集成化和智能化发展。本文介绍的一种基于单片机的Pt100铂电阻四线制测温系统，其原理简单、所需硬件成本低廉、可靠性和测量精度高，通过合理的软件编程，可以实现多种场合的使用，对相关领域的发展和成果转化有重要意义。

参考文献：

［1］国防科工委科技与质量司.热学计量［M］..北京：原子能出版社，2002.

［2］李岁劳，杨鹏翔，朱新颖.基于C8051单片机的多路温度无线遥测系统［J］第27卷，2007第1期，计测技术