遠(yuǎn)程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李東明 蔡鄂 胡亞斌 王永濤中國(guó)地質(zhì)大學(xué)信息實(shí)驗(yàn)中心湖北武漢

?

遠(yuǎn)程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李東明 蔡鄂 胡亞斌 王永濤
中國(guó)地質(zhì)大學(xué)信息實(shí)驗(yàn)中心湖北武漢

摘要：為了提高溫度測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了一種高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)利用24bit A／D轉(zhuǎn)換器ADSl255作為數(shù)據(jù)采集核心部件，Microchip出品的PIC32Mx5作為核心計(jì)算部件以及物理網(wǎng)卡芯片構(gòu)成。系統(tǒng)利用PIC32Mx795的計(jì)算性能，通過牛頓法直接尋找高次方程的溫度根，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)。與鉑電阻溫度計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的測(cè)量精度優(yōu)于0.01℃，且工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵字：過采樣 溫度數(shù)據(jù)采集 32位單片機(jī) TCP／IP 熱電阻

常用的溫度傳感器有熱電阻、集成溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器等多種。熱電阻因其測(cè)量精度高，且性能穩(wěn)定，在高精度溫度測(cè)量中占有重要的地位。通常在傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理，采用12bit、16bitAD器件對(duì)傳感器的調(diào)理信號(hào)進(jìn)行采樣，然后通過查表得到溫度值，但是因?yàn)橄到y(tǒng)噪聲、AD轉(zhuǎn)換的量化噪聲等的存在，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。本文利用24bitAD器件ADSl255作為受轉(zhuǎn)換的核心器件，利用其過采樣技術(shù)，去除引起系統(tǒng)通道紋波誤差的模擬濾波結(jié)構(gòu)，大幅度降低系統(tǒng)的測(cè)量誤差，系統(tǒng)以鉑熱電阻PTl00為溫度傳感器，測(cè)量范圍為一50～250℃，測(cè)量的分辨率為土0．0l℃，高次方程尋根計(jì)算時(shí)間是毫秒量級(jí)。從硬件電路和軟件算法設(shè)計(jì)上保證了測(cè)量精度和可靠性。

1　系統(tǒng)工作原理

PTl000產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過調(diào)理之后送給24bmⅥ）轉(zhuǎn)換器ADSl255，32位處理器PIC32Mx795讀取電壓值后經(jīng)過迭代計(jì)算出溫度值。時(shí)鐘、液晶用以顯示溫度、日期等信息。利用精簡(jiǎn)TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)通過模擬開關(guān)切換可升級(jí)為同時(shí)采集8路溫度信號(hào)，最終將采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過Internet發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1精密恒流源

利用0P97或者OP400運(yùn)放構(gòu)成精密恒流源電路，基準(zhǔn)電壓由AD公司的ADR434器件提供，該器件溫度穩(wěn)定性能高。由圖3知，由電阻器R決定恒流電流I=10峨。該電流源的性能受到取樣電阻Rl的溫度穩(wěn)定性的影響，故應(yīng)認(rèn)真選擇。

2.2信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。通過外接電阻Rg設(shè)置放大電路的增益（G=1+50“R）。系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍是0～200℃，因此對(duì)應(yīng)電阻值范圍為1000～1940．981Q，對(duì)應(yīng)輸出電壓為10mV～19．41mV，經(jīng)過前置放大100倍。最后送入刖D轉(zhuǎn)換器的電壓幅度為1．0～1．941V。

在該系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理架構(gòu)中，省掉了濾波器結(jié)構(gòu)，原因在于采用了ADSl255器件，將數(shù)字濾波引進(jìn)溫度數(shù)據(jù)采集中來，降低系統(tǒng)模擬前端的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，完全消除由于模擬濾波器帶來的通帶內(nèi)紋波等噪聲的影響。從實(shí)際實(shí)驗(yàn)的效果來看，采用ADSl255這種過采樣再數(shù)字濾波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大幅度降低噪聲，提高測(cè)量精度。

3　下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度和電阻值之間為非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是將整個(gè)溫度測(cè)量區(qū)間分成若干個(gè)近似線性區(qū)間，在每一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，電阻值和溫度的關(guān)系近似線性，然后通過數(shù)值算法進(jìn)行擬合。但是對(duì)于PIC32處理器，利用該處理器的強(qiáng)大的計(jì)算能力直接進(jìn)行高次方程的數(shù)值求解應(yīng)該是首選的方案。

3.1利用牛頓迭代法求溫度根

3.2溫度與測(cè)量電壓關(guān)系式

3.3溫度數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程發(fā)送流程

PIC32利用牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)溫度根的求取，然后通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

在溫區(qū)0～100℃用不同方法進(jìn)行溫度測(cè)量，其中實(shí)際溫度由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)定。直接利用PIC32的計(jì)算性能求解鉑電阻物理特性方程的數(shù)值根，可以得到較高的精度，并在整個(gè)溫度區(qū)間有較好的一致性。

5　結(jié)論

本文與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用24bitA／D過采樣轉(zhuǎn)換器ADSl255、微控器PIC32Mx795及遠(yuǎn)程PC機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠；利用PIC32的強(qiáng)大計(jì)算性能，直接尋找物理特性方程的根，測(cè)量精度優(yōu)于0．01℃，且一致性很高。

參考文獻(xiàn)

［1］楊樂平，李海澆楊磊．I．出ⅥEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．第2版．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［2］鄭建國(guó)，李從新．一種高準(zhǔn)確度鉑電阻溫度測(cè)量方案［J］．自動(dòng)化儀表，1997，18（8）：22—24．

［3］郭少朋，吳嵐軍，劉鴻．鉑電阻多點(diǎn)測(cè)溫控溫設(shè)計(jì)叨．傳感器技術(shù)，2004（1）：67—69．

［4］文小玲，易先軍，曾濤．高精度溫度測(cè)控系統(tǒng)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2007（8）：46—47．

［5］劉國(guó)強(qiáng)，唐東紅，李興偉．基于AT89C51單片機(jī)的高精度測(cè)溫系統(tǒng)的研制［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（8）：258—259．

［6］張修太，胡雪惠，翟亞芳，等．基于PTloo的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］．傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（6）：812—815．

［7］李東明，蔡鄂，王典洪，等．遠(yuǎn)程多通道溫度高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)．2014，3（19）：67—74．