基于C8051F350三線制熱電阻測溫儀表的設計

劉 偉，李 晶

(1．吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林吉林132022;2．吉林信息工程學校電子教研組，吉林吉林132022)

工業中常采用熱電阻 PT100、Cu100以及Cu50等進行溫度測量，在熱電阻測溫儀表中為了消除導線電阻引入的誤差，一般均采用三線制檢測方式［1］，其結構組成框圖如圖1所示．

圖1 熱電阻三線制測溫儀表結構框圖

圖1中恒流源電路為測量熱電阻提供所需的電流，測量電路前級采用高阻抗輸入的差動運算放大電路對信號進行處理，再經ADC采集后送入CPU進行運算得到測溫結果．從圖中可以看出這種電路結構較復雜．而隨著新型C8051F等片上系統的出現，芯片中模擬器件集成度的逐漸提高，三線制熱電阻測量電路可以得到極大的簡化，電路的簡化不僅僅降低了成本，減少了生產的調試環節，同時也較大的提高了電路的可靠性．本文將詳細論述基于偏上系統的三線制熱電阻測溫儀表的設計．

1 熱電阻測溫原理及測溫電路

采用C8051F350片上系統簡化后的熱電阻測量電路如圖2所示．C8051F350片上系統運行速度可達50MIPS，并且內部集成有電流型IDAC、轉換速率達1 ksps的24位差分Sigma-Delta ADC、程控增益放大器PGA、15PPM/℃的電壓基準源以及定時器、PCA等資源［2］．

圖2 C8051F350熱電阻測量電路原理圖

根據C8051F350片上資源以及三線制測溫 儀表結構的分析，圖1中恒流源可采用電流型IDA0實現，放大電路采用內部集成的程控增益放大器PGA，A/D轉換電路采用內部集成的24位差分型ADC，并且通過寄存器配置實現AIN0．0與 AIN0．2，AIN0．1 與 AIN0．2 兩對差分輸入，分別對Uab與Uac的進行測量，并通過內部集成的系統校準寄存器實現偏移校準與增益校準，以獲得較好的測量結果．

工作原理:圖2中RT為熱電阻傳感器，r1、r2、r3為導線電阻，在實際工程中這三根導線采用相同材質相同長度的導線，因此有r1=r2=r3=r，IDA0為測量恒定電流i，由于C8051F350模擬輸入端具有極高的輸入阻抗，即AIN0接口不消耗電流，電流i僅從c點經r1、RT與r3流回到a點的系統地(電流I回路為c-d-a)．

所以a與c之間的電壓即為:

由于AIN1接口也是高阻接口，因此在b與d之間的這條導線(r2)沒有電流，因此b點的電勢與d點的電勢相等，即Uab=Uad，在b-d-a這個回路中僅有RT與r3有電流i流過，所以:

由(2)×2－(1)得:

設內部程控放大器的增益為k，電壓基準電壓為Vref，Uac經 ADC轉換后的數字量為 Nac，則有:

同理Uab經ADC轉換后的數字量為Nab，則有:

從(5)中可以看出，經過此處理測量結果已經與導線電阻r無關，即消除了導線對測量結果的影響．并且 i、k、Vref為已知常數，因此，RT與(2Nab－Nac)成正比，即兩者成線性關系．同時由于i采用的是IDA0，而IDA0采用的電壓基準也是內部Vref，因此在(6)式中存在的也能部分抵消電壓基準溫度漂移的影響，從而提高了儀表自身的溫度穩定性［3］．

從(6)式即可簡化為:

測出RT后，通過查找PT100分度表并經線性插值運算即可得到被測溫度．

2 熱電阻測溫電路的校準

由于RT與(2Nab－Nac)成比例線性關系，但實際工程電路中運算放大電路、ADC、ADC的基準等均存在誤差，因此，儀表生產出廠前比較經過校準才能保證測量精度．

線性系統其主要誤差為增益誤差與偏移誤差［4］，因此可以采用整體校準方案，僅需要校準增益與零點偏移即可，校準過程如下:

校準過程如下:

(1)零點校準:取較小的(約量程的10%)、已知、精確的 RT0輸入系統，記錄 ADC轉換值Nab0、Nac0．

(2)滿度校準:取約接近量程90%的、已知、精確的電阻RTr輸入系統，記錄ADC轉換值Nabr、Nacr．

則有:

(3)由(8)、(9)式可以得到

3 軟件設計

雖然校準后的γ×(2Nab－Nac)+β軟件計算實現，但C8051F350具有十分完備工業系統設計理念，已經在ADC設計了增益校準寄存器與偏移校準寄存器，所以校準時僅需要將γ和β分別送入增益校準寄存器 ADC0CGH、ADC0CGM和ADC0CGL中以及偏移校準寄存器 ADC0COH、ADC0COM和ADC0COL中即可自動實現數據轉換，減少了軟件運算上的CPU消耗與時間消耗，較大的提高了運算速度，簡化了軟件設計過程以及對RAM的消耗．

PT100熱電阻測溫儀表的程序主要包括C8051F350單片機系統時鐘初始化、ADC、DAC與基準Vref的初始化、程控增益放大器PGA初始化、增益校準寄存器與偏移校準寄存器初始化、ADC檢測、運算并查找分度表程序、線性插值等程序組成．程序流程如圖3所示．

圖3 程序流程圖

4 結 論

此方案采用新型C8051F350片上系統使熱電阻PT100測溫儀表的電路進行了極大的簡化，可靠好，性價比高．并且依賴于C8051F350片上24位高分辨率的ADC與程控增益放大器PGA，以及合理的校準方案，使得儀表的測量精度優于0．1%，由于能夠抵消一部分基準漂移，所以測量精度長期穩定性好．目前，此方案已在多個項目中得到應用驗證，能夠滿足工業領域的測溫要求．

［1］ 劉麒，張莉，王影．實用的熱電阻測溫電路設計［J］．吉林化工學院學報，2011(11):84-86．

［2］ C8051F35x手冊［DB/OL］．http://www．xhl．com．cn/upfile/Flash/2011/4/20110426172014．pdf．

［3］ 童詩白．模擬電子技術基礎［M］．4版，北京:高等教育出版社2006．

［4］ 艾學忠，劉偉，陳北辰．單片機原理及接口技術［M］．北京:中國機械出版社，2012．

［5］ 古天祥，王厚軍，習友寶．電子測量原理［M］．北京:機械工業出版社，2006．