基于C8051单片机的温度变送器设计

谈宏兴， 施火泉*， 朱 杰

(1.江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122;2.无锡科思电子科技有限公司，江苏无锡214028)

温度是工业现场用得最多的待测物理量，普遍采用4～20 mA电流的强信号来传输模拟量。热电阻在测量灵敏度、线性度等方面优于热电偶，因此在中低温区得到广泛应用［1］。工业现场的环境温度高、电磁干扰强等复杂和恶劣条件，使传统热电阻温度变送器不能满足应用要求，同时控制芯片集成了高精度AD和占空比脉冲(PWM)，价格上比普通51单片机加独立高精度AD芯片要低。据此设计了基于C8051F单片机的隔离型热电阻温度变送器，具有精度高、抗干扰能力强、电路简单、成本低、体积小、生产调试方便等特点。

1 系统结构与工作原理

采用单片机C8051F996为控制核心，通过三线制测量电桥，采集PT100的电阻信号，经差动放大调理再送入AD模块，经过分段查询，得出当前PT100所对应的温度，从而指令输出相应的占空比脉冲信号。为了避免外部干扰，提高系统的可靠性，将占空比信号通过光耦隔离输出到输出转换电路。整体结构如图1所示。

图1 整体结构Fig.1 Overall structure diagram

2 系统硬件设计

图2 测量采样模块Fig.2 Measuring and sampling module

变送器系统的组成包括主控模块、测量采样模块、光耦隔离模块、输出转换模块以及电源模块。

2.1 主控模块

SiliconLabs公司新推出的小体积、低功耗、高性能、低价格的微控制器C8051F996是混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的内核及与传统MCS51兼容的指令集。该芯片工作频率高达24.5 MHz，拥有8 K字节的Flash程序存储器、512字节的数据存储器、12位75 Ksps的单端AD模拟多路转换器、可输出16位PWM的可编程逻辑阵列(PCA)等，采用强大的非侵入式JTAG/C2在系统调试手段，可方便完成下载和硬件仿真，且不占用片内资源［2］。该芯片无需扩展即可完成主要功能。

2.2 测量采样模块

采用铂电阻PT100作为温度传感器，测温范围宽(－200℃ ～650℃)，响应快速，可重复操作，较好的长期稳定性，适用性广。热电阻按三线制桥式接法，可避免引线电阻的影响，提高了信号远距离传输精度，测温电路如图2所示。

测温原理:VREF1为2.5 V高精度参考电压。通过 R12，R11，R10，PT100 构成测量电桥，其中 R11=R12，R10为78.7 Ω(对应 － 50 ℃ 的热电阻值)，均为0.1% 高精密电阻。当PT100的阻值大于R10时，电桥输出一个正的毫伏级压差信号，此信号经过精密运放TLC277放大后输出至单片机AD口。由R6，R7，R8，R9及U1B构成差动放大电路，其中 R6=R7，R8=R9，其输出电压由式(1)得

通过调节R6与R8的比值来调节放大倍数。考虑到测温范围是－50℃到+200℃及AD基准电压使用外部参考电压2.5 V，AD口输入幅值电压为2.5 V，并留有一定裕量，则取放大倍数为20。

2.3 光耦隔离模块

为避免外部电路对测量电路的影响，提高抗干扰性能及系统应用的灵活性，文中使用了TLP781光耦使输出和输入电路隔离(见图3)。

图3 光耦隔离模块Fig.3 Optical coupling isolation module

2.4 输出转换模块

电子技术应用中，常需模拟输出(见图4)。高精度数模转换器(DAC)芯片或者集成了DAC的单片机芯片价格昂贵。应用单片机的PWM输出，经过简单的滤波变换电路实现数模转换，可大大降低系统成本［3］，且便于实现隔离。

为达到 －50℃ 到 +200℃，2 500个点的分辨率，而C8051F996具有8位、9位、10位、11位和16位共5种模式的PWM工作方式［4］，又211＜2 500＜216，所以必须选用16位PWM。

图4 中，单片机输出的PWM电压，经光耦隔离，输出波形为理想的PWM波，再经过R15，C11，R16，C12两级阻容滤波和U2A的跟随放大，在A点得到直流电压即MCU输出的调制PWM波在A点得到解调，从而实现DAC功能。设输出占空比为D，输出电流为 IO，可得

输出级采用了运放U2B实现了恒流输出电路，R23为电流取样电阻，并采用三极管提高输出驱动能力，避免了负载电阻变化对精度的影响，并具有输出短路保护功能。则有

又因为

综合上式，并带入阻值，可得

当输出电流为20 mA时，占空比D为1;输出4 mA时，占空比为0.2，电路满足设计要求。

图4 输出转换模块Fig.4 Output switch module

2.5 电源模块

采用220 V供电的开关电源输出两组隔离电源，开关电源体积小，质量轻，效率高。如图5所示，电源VH为220 V交流电压通过整流后的直流电压，采用了高效离线式开关 IC:TinySwitch-III系列的TNY276。

为提高精度，输入、输出两侧均使用基准电源，参考电压VREF1和VREF2均为2.5 V，通过两路隔离输出电源，均加至基准电压芯片LM236上得到。

图5 电源模块Fig.5 Power module

3 系统软件设计

系统采用模块化设计方式，把整个程序分成多个功能模块。主要有:主程序，AD采样，Flash读写，PWM输出。

3.1 主程序

主程序流程如图6所示。分为AD采样、校正处理、数据处理、输出4部分。由于变送器装置的误差主要分为恒定系统误差和变化系统误差，而通过硬件修改可以减小部分恒定系统误差，但变化系统误差如仪表的零点、放大倍数的漂移和温度变化引起的误差只能通过软件校正来减小。

图6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

软件校正流程如下:

1)调零点 出厂前，通过调零点的方式来实现零位误差校正，设置零点的输入条件，实测并保存校正数据。运行时，读取校正数据，当前实测数据进行零点偏差补偿计算，得到修正电压值。校正具体方法:外部设置为零点状态时，将校正口1置低;CPU检测到校零点条件，则将当前AD采样电压作为校正参数存入Flash中，供以后读取使用。

2)调满量程 通过调满量程的方式来实现放大倍数偏差引起的误差校正。具体方法是设置满量程的输入条件，置校正口2为低。CPU检测得到一个实际电压值，与保存的标准放大倍数下的满量程电压值比较，得到需修正的放大倍数并存入Flash中。以后任意条件输入时，每次读取修正放大倍数，并与采样值相乘。调零调满的流程如图6所示。

3)线性化处理原理 查表法的基础是建立起采样电压与实际温度的对应关系，据PT100分度表，可通过以精密电阻箱来模拟PT100的输入，调节电阻箱阻值，并记录下－50.0℃到+200.0℃之间的250组温度－电压的数据。由于被测温度与热电阻间存在非线性关系，这里采用折线近似的方法进行非线性修正，将所有数据分段线性化处理。

将整个测温范围分为n个温度段，每段用最小二乘法求折线来近似表示热电阻的电势和温度的关系［5］。理论上说，折线段越多，精度越好。程序中，实际分了34段。通过分段查询计算，用当前电压值减去该段起点值，再除以该段所对应的0.1℃ 的电压差值，得到温度差值，最后再加上该段起点所对应的温度值，即可得到当前实际温度值。然后，指令输出相应的PWM值，使输入输出之间呈线性化对应关系。这里就将输入和输出在程序上分离，以避免温度漂移在整体上对程序的影响，提高了程序的可靠性和可读性。

3.2 AD 采样

文献［6］中，推导出在白噪声前提下，离散高斯噪声模型的最优估计量是最大似然估计，可用MLS算法求出，当AD采样位数足够大时，可用统计平均近似代替MLS算法［4］。系统用的是12位AD采样，可用统计平均近似代替MLS算法。通过连续25次采样，每5次采样取中位值，再求5次平均的方法得到最终采样值。该法使输出电流在0.001 mA位微小波动，有效地克服了偶然因素引起的输入干扰，具有良好的滤波效果。

4 实验结果

从 －50℃ 到200℃ 之间，任意选择10个温度进行实验，得到如表1所示的实测结果。

表1 部分实测结果Tab.1 Part experimental results

由表1可见，电流偏差峰值为0.011 mA，电流测量精度为0.11%，而对于4～20 mA内2 500个点来说，0.1℃ 对应于0.006 4 mA，由于电流偏差值小于0.012 8 mA，温度精度控制在0.2℃ 以内。

5 结语

文中设计的温度变送器，是由C8051F996单片机及精密运放构成的采样电路和输出转换电路组成;其测量通道和输出通道采用光耦隔离，通道电阻采用精密电阻;采用小型化的开关电源，并使用常规的220 V交流电源供电。该变送器结构简单，工作可靠，准确度高，通用性好，满足批量生产要求，符合工业应用标准。

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