基于PT100的多路溫度巡檢儀設計

天地（常州）自動化股份有限公司 崔懷兵

1.引言

PT100在-50～600℃范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等[1]，正是基于此，PT100在各個行業中受到廣泛應用。本文設計了一款基于PT100的多路溫度巡檢儀，可同時測量8路PT100信號，通過數碼管同時顯示時鐘、8路溫度值；具有4個按鍵輸入，用于出場調校、報警值設定，并且最終調校參數可保存在單片機自帶的EEPROM中；另外，巡檢儀還具有語音報警功能。

2.巡檢儀硬件電路設計

硬件電路主要由信號前置變換、放大電路，按鍵電路，顯示驅動電路，語音報警電路，時鐘電路幾部分組成。

2.1 信號前置變換電路

巡檢儀采用惠斯通電橋接入PT100信號，考慮現場接線時導線的長度不可忽略[2]，采用三線制接法，如圖1所示。

圖1中V1，F1，F2起保護作用，可防止現場強干擾或接線錯誤而導致元器件損壞。IN1A、IN1B之差與PT100阻值變化呈線性關系，通過將IN1A、IN1B變化值采樣再對應P100刻度表即可換算得到實測溫度。圖1中R2，R3，R4均采用低溫漂的精密電阻。

REF1為給電橋供電的基準源，將PT100變化的阻值信號轉換為電壓信號。考慮到PT100電阻變化值小，所轉換成的差值電壓在毫伏級，因此電源波動對最終采樣精度影響很大。基于此，采用LM4040-2.5V精密基準源給電橋供電。

2.2 信號放大電路

由IN1A、IN1B兩引腳所產生的壓差信號非常微弱，直接采樣影響精度，因此需要將其放大后再引進單片機采樣腳。圖2為信號放大電路。8路PT100信號通過多路模擬開關選擇輪流采樣，D4，D5為8通道模擬開關，CTRL0、CTRL1、CTRL2、CTRL3連接到單片機引腳，對采用通路的控制選擇，將差分信號輸出到Vin+，Vin-引腳上。

考慮到PT100探頭產生的信號非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇儀表放大器結構。儀表放大器擁有差分式結構，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大[3]。巡檢儀的信號放大采用如圖3的三運放儀表放大電路。

圖3中信號由Vin+，Vin-輸入，D2，D3對輸入電壓信號起緩沖作用。V3，V4其保護作用，鉗制輸入信號間的最大差分電壓。電阻均采用低溫漂的精密電阻，其中R9=R12，R10=R13，R11=R14，由此可得放大后的ADin引腳的電壓Uo為

由式(1)可看出，通過增減R8的阻值即可改變增益，得到理想的放大倍數。

2.3 按鍵電路設計

溫度巡檢儀設有4個按鍵，用于出廠調校，參數設定。兩個鍵用于參數的增加，另外兩個按鍵一個用于鍵功能確認，按下后開始標校溫度；剩下一個按下后可以對報警溫度值設定。電路如圖4所示，按鍵不按時單片機引腳檢測為高電平，按下后變為低電平。

2.4 顯示電路設計

數碼管的顯示分為動態顯示跟靜態顯示兩種。靜態顯示除變更數據期間，各顯示器均處于通電狀態，每個顯示器通電占空比約為100%。動態顯示就是逐位地點亮顯示器的各位，N個顯示器共占用一個顯示驅動器，每個顯示器通電占空比時間約為1/N[4]。

溫度巡檢儀需要顯示8路溫度值(每路3位數碼管)，時鐘的時、分(各兩位數碼管)，若采用靜態顯示，占用單片機管腳太多，不太現實，并且功耗增加。基于此考慮，巡檢儀數碼管采用動態顯示。另外，溫度正常指示、低報警、高報警對應的信號指示燈也可采用動態顯示。顯示程序將需要顯示的數據按列拆分，通過移位寄存器將其逐位移位，移位完成后，打開控制腳，點亮數碼管，延時一定時間，然后接著點亮下一列。

采用動態顯示時這里有兩種方式，一種是將3位的顯示溫度的數碼管跟2位的顯示時鐘的數碼管組合在一起，成為5列，分5次點亮；采用這種方式全點亮時間較長，對點亮時間延時、時間間隔等要求較高，但可以減少芯片數量。第二種取最大列數為3列，點3次點亮，其優缺點跟第一種方式相反。這里考慮芯片數量、PCB板尺寸等因素，采用第一種方式，見圖5。

圖5中只畫出了兩組顯示，將顯示溫度的數碼管跟顯示時鐘的數碼管合在一起，總共5列。其中U1，U2為移位寄存器HEF4094，第一個的串行輸出連接到第二個的數據輸入，依此類推，每個HEF4094對應一路顯示，總共8路。當一列的數據全部移位完成，對應每個HEF4094上的8位正確輸出時，控制LED_1到LED_5，點亮數碼管。

2.5 語音報警電路

巡檢儀具有超溫報警功能，根據設定的溫度分為兩級報警。當到達不同級別的報警溫度時播放相應的語音，當溫度恢復正常時用語音提示一下溫度正常，因此需要3段語音。

語音報警電路如圖6所示。采用YF017型OTP語音芯片，其工作電壓為2.2～6V，具有PWM輸出，2腳3腳輸出驅動喇叭。它共有3個IO口，外圍最低僅需要一個104電容就可以穩定的工作，通過單片機最少一個IO口可以控制多達32段聲音。

控制原理說明：芯片采用了模擬串行的控制方式。如需要播放第幾個地址的內容就向DAT引腳發送幾個脈沖(大于0.2ms即可，建議采用1ms左右)。芯片工作時(播放聲音)，BUSY引腳輸出低電平，停止工作或者待機時，保持高電平；RST引腳任何時候收到一個脈沖的時候，可以使芯片的播放指針歸零(就是DAT腳恢復到初始狀態)，同時即刻使芯片停止工作，進入待機狀態。

2.6 時鐘顯示

巡檢儀的時鐘顯示功能是基于DS1302芯片實現的。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的低功耗實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、日、時、分、秒進行計時，并能夠對每月的天數和閏年的天數進行自動調整，時鐘可以采用24小時制，也可以采用12小時。DS1302功耗很低，保持數據和時鐘信息時功率小于1uW，在沒有電源供電的情況下，可以工作長達10年的時間[5]。

電路原理如圖7所示。DS1302與單片機的連接僅需要3條線：RST復位引腳、SCLK串行時鐘引腳、I/O串行數據引腳，Vcc1為備用電源；外接32.768kHz晶振，為芯片提供計時脈沖。

2.7 單片機選型

巡檢儀單片機采用PIC18F4580，其內部帶EEPROM，調校完成后可將調校參數存儲，而不用每次上電都重新調校。

3.巡檢儀軟件設計

巡檢儀軟件的工作流程設計成這樣，上電后初始化，讀取EEPROM中的校驗數據，報警數值。進入主循環后對信號采樣計算，換算成對應的溫度值送到數碼管顯示。若在運行過程中發現有功能鍵，或者報警設定鍵按下，則進入設定調校程序。

主程序流程如圖8所示。

3.1 初始化函數void Data_Init(void)

圖1 信號前置變換電路

圖2 信號放大電路

圖3 三運放儀表放大電路

圖4 按鍵電路

圖5 顯示電路

圖6 語音報警電路

圖7 時鐘顯示電路

初始化函數主要對輸入輸出口，AD采樣初始化，時鐘芯片DS1302初始化，讀取EEPROM中的調校報警數值。

DS1302初始化為多字節突發模式傳輸數據，提高效率。另外，由于巡檢儀采用的是普通的紐扣電池，因此在模式寄存器中將充電功能屏蔽。

對于保存在EEPROM中的數據例如調校值，在初始化時需將其讀出放到特定的數組中。

定時器主要用于語音報警時的脈沖寬度，目前設置成1ms。

圖8 主程序流程

圖9 語音報警程序流程

3.2 AD采樣

AD采樣的流程是這樣的，在中斷中讀出采樣值，并置標志位，在主循環中檢測到標志位后對數據進行處理。由于8路信號是通過模擬開關切換，因此需注意在當前采集完成切換到下一路時需設定可靠延時以保證采樣電容能充電充分。

由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，因此我們需要對PT100刻度表分段線性化，根據電路中實測的AD值以查表方式得出當前溫度值。

測量精度和可靠性是儀器的重要指標，由于電阻電容的差異性、現場電磁環境的污染，不是每次采樣都能采得正確的數值，因此需要通過軟件來修正、濾波。

數字濾波法有用于克服大脈沖干擾的數字濾波法，也有適用抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法。在實際應用中，有時既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數據平滑。因此常把前面介紹的兩種以上的方法結合起來使用，形成復合濾波。

巡檢儀AD采樣軟件設計采用去極值平均濾波算法：先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進行平均濾波。連續采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N－2個采樣的平均值。顯然，這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾[6]。

3.3 語音報警

當溫度超過報警值時，單片機輸出脈沖控制語音芯片報警輸出。報警脈沖的輸出通過定時器定時，定時器1ms中斷一次，在定時器中判斷是否需要輸出，是否輸出完成。需要播放語音時設置變量N，代表需要播放第N段，通過在定時器中遞減來輸出語音。程序流程如圖9所示。

4.調校

巡檢儀設有4個按鍵，兩個鍵用于參數的增減少；另外兩個按鍵一個用于鍵功能確認，按下后開始輪流標校溫度值。正常運行過程中，按下功能鍵，從第一路個位數碼管開始閃爍。通過增減鍵確認后再按下功能鍵，標校完成，下一位開始閃爍，等待標校。第一路完成標校后將標校差值參數存入EEPROM，進入下一路調校。若不需要調校，按功能鍵或等待一定時間可退出調校流程。

運行時按下報警設定鍵則可以設定報警值，跟標校流程一樣。

5.結語

本文介紹了基于PT100型鉑電阻的多路溫度巡檢儀的軟硬件設計，該巡檢儀硬件設計實用可靠；軟件中采用分段線性法對比得到實測溫度，并采用了多種濾波方式，誤差精度得到提高。該巡檢儀目前已應用于汽車上軸溫監測、一些大型電機的定、轉子溫度監測，從現場使用情況來看，精度較高，能很好適應現場，特別是需要多點測溫的地點。

[1]王愛華.多路PT100-III型信號轉換模塊電子技術及信息科學[J].自動化技術,2004(10).

[2]暢世聰.電阻型傳感器三線制接法探討[J].儀表技術,1998(4).

[3]張石銳,鄭文剛,黃丹楓,等.微弱信號檢測的前置放大電路設計[J].微計算機信息,2009(23).

[4]李海濤,儀維,梁磊.PIC單片機應用開發典型模塊[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[5]程德福,林君.智能儀器[M].北京:機械工業出版社,2009.