基于MSP430的三线制Pt100测温系统设计与实现*

2019-03-05王午鑫

传感器与微系统 2019年3期

刘意，王午鑫

(天津工业大学工程教学实习训练中心，天津 300300)

0 引言

针对矿用带式输送机安全监控系统，温度测量的对象主要有：电机轴、减速机、滚筒、导料槽周边、落料管及周边温度等，各个被测对象的温度范围不同，传感器探头的导线较长，要求的测量精度高，测点数量多，而电路工作的环境温度变化大，要求Pt100铂电阻测温电路具有高精度、大量程、低温漂、低功耗和低成本等特点。国内外使用Pt100传感器测量温度，大多具有局限性，其温度测量范围仅针对某一特定的应用场景，测温范围较小；在减少温度漂移方面考虑不足，缺乏对电路器件的分析和选择，没有进行高低温测试实验，因而其设计出的测温系统仅停留在实验阶段，难以适应不同的工作环境；鲜有采用低功耗设计理念，当其大量应用于实际工作中，功耗的叠加会对电源系统提出更高的要求，增加系统设计的难度，且方案并非成本最优。文献[1]提出的Pt100测温电路存在较为明显的理论误差，该误差会随着测量范围的增大而增加。本文在修正了现有Pt100测温电路理论误差的基础上，综合考虑扩展测量范围、减少温漂、降低功耗与成本，提出一种满足带式输送机安全监控系统测温要求的Pt100测温系统，该系统通过硬件电路调理与采集，结合软件算法的拟合与修正，可以完全消除导线电阻误差，测量精度高，量程覆盖带式输送机安全监控系统的测温范围，温漂、功耗和成本相对较低，最终通过通信接口将温度数据发送至上位机。

1 硬件电路设计

根据现场的实际需求，电路需要采集Pt100的电阻值，将电阻值转换为对应的温度值，并通过通信接口将温度数据发送给上位机。因此，系统的硬件电路如图 1所示，包括两部分：三线制Pt100信号调理电路，模/数转换器(analog to digital converter,ADC)采样与控制电路。

图1 硬件框图

1.1 三线制Pt100信号调理电路

工业现场的传感器探头一般离监控中心较远，而铜导线在20 ℃的电阻率约为0.017 2 Ω·mm2/m，长距离的导线势必存在导线电阻值，而该电阻值会影响Pt100测温的精度，因此，使用三线制Pt100传感器，通过信号调理电路，消除导线电阻值带来的误差。三线制Pt100信号调理电路包括三部分：恒流源电路、Pt100采样电路和放大电路。

1.1.1 恒流源电路

如图2所示，恒流源电路以运算放大器U1，2.5 V精密稳压器D1和精密电阻器R3为核心，利用运放的电压跟随特性设计而成。

图2 恒流源电路仿真

精密稳压器D1和电阻器R1串联接在电压和参考地之间，此时U1的正输入端与正电源之间的电压为精确的2.5 V，电阻器R3接在正电源和U1的负输入端之间，根据运算放大器的“虚短”特性可知，R3两端的电压为精确的2.5 V。Q1和Q2两级PNP三极管组成复合三极管，其电流放大倍数是Q1和Q2的放大倍数的乘积。选择放大倍数大于100的2N5401，则复合三极管的电流放大倍数大于10 000，因此，参考电流Iref约等于Q2的IE，精确度优于0.01 %，则恒流源电流Iref恒等于流经R3的电流。由于R3上的电压是2.5 V，所以放大器的输出电压小于2.5 V，在不影响放大器输出摆幅的情况下，且为确保放大器能够输出与参考地相近的电压，并尽量降低系统功耗，使用低电压±5 V供电。文献[2，3]均使用惠斯通电桥，而电桥在消除导线误差时，功耗较高。因此本文设计不采用。

电路中R3取5.1 kΩ，经仿真验证，当Pt100的阻值在50～400 Ω变化时，恒流源的输出电流Iref恒定为490.192 μA，与理论值基本一致。

为确保设备精度，且能够适应各种恶劣工作环境，运算放大器选用OP37AZ，其工作温度为-55～+125 ℃，温漂低至0.6 μV/℃，长期失调电压仅为0.2 μV/月。2.5 V稳压器选用温漂低至10×10-6/℃、稳压精度高达0.05 %的LM4030稳压器，电阻器选用10×10-6的低温漂、千分之一精密电阻器。

1.1.2 Pt100采样电路

为了消除长距离传输线上带来的电阻误差，系统采用比例减法器，将传输线上的误差消除。如图3所示，三线制Pt100传感器等效为3个相等的导线电阻r1，r2，r3和可变电阻Rpt的串并联模型。恒定电流Iref沿线流经r1、可变电阻Rpt和r3，导线电阻误差是由于传感器回路中串接了r1和r3，消除导线压降即可得到标准的传感器电压。

图3 三线制Pt100采样电路

根据运算放大器的“虚断”，取R4=R6=200 kΩ，R5=R7=100 kΩ，得

(1)

由“虚短”,V4+=V4-,得Vo=Ua-2Uc。

由于R5的阻值是导线电阻r2的万倍以上，r2的压降忽略不计，认为Ub=Uc。导线电阻r1和r3上的压降是相同的，均等于Ub，所以,消除导线压降后的Pt100电压VRP，即放大器的输出电压为

VRP=Vo=Ua-2Ub

(2)

为确保运算精度，R4，R5，R6，R7均使用低温漂、千分之一精度的精密电阻器。

1.1.3 放大电路

如图4所示，放大电路采用OP37AZ有源放大电路，将采样电路输出的电压Vo放大。

由于主控芯片外接ADC的参考电压为1.25 V，其单极性采集范围为0～0.625 V。当被测温度在-50～+550 ℃之间变化时，Pt100的阻值在80～300 Ω之间变化，则Vo的变化范围为39.215～147.057 mV。故将Vo放大4倍，即可将电压放大到ADC采集的全量程，有Vadc=4Vo=4(Ua-2Ub)。

因此，Pt100的电阻值Rpt与Vadc的关系如下

(3)

文献[1]中的Pt100采样电路与放大电路共用同一个放大器，其输入输出传递函数成立的条件是：比例减法电阻值R6，R7应远远大于比例放大电阻值R8和R9[4]。而电路中其阻值仅相差一个数量级，显然结果是不精确的。故本文设计中Pt100采样电路和放大电路分别使用独立的放大器，利用放大器的高输入阻抗、低输出阻抗特性，将比例减法电路与比例放大电路独立开来，彻底消除理论误差。为确保测量精度，R11，R12器均使用低温漂、千分之一精度的精密电阻器。

1.2 ADC采样与控制电路

由于Pt100测温电路广泛地分布于实际工作现场，当埋设的点数较多时，其功耗的增加意味着对系统电源输出能力和可靠性的要求进一步提高。而系统要求0.1 ℃以上的分辨率和-50～+550 ℃的大量程，则ADC的分辨率要大于14位。考虑到Pt100测量结果的线性拟合与修正，主控芯片的RAM要大于512 B，Flash要大于4 kB。故本文设计采用内部集成16位ADC的低功耗主控芯片MSP430FE4272。该芯片内部集成两通道16位差分ADC，具有1 kB RAM和32 kB闪存，使用16位精简指令集，最小指令周期为125 ns，休眠模式下最低工作电流可降低至0.1 μA，具有多种通信接口，符合设计需求。

如图5所示，放大电路的输出阻抗小[5]，单片机内部的ADC输入阻抗在100 kΩ以上，故将放大电路的输出Vadc直接接在单片机的差分ADC正输入引脚，ADC负输入引脚接信号地。单片机内部的参考电压精确度较低，为±5 %，故使用外接参考电压源REF3012，该芯片输出电压为1.25 V，精确度高达0.2 %，工作温度为-40～+125 ℃，全温度范围内的温漂仅为75×10-6/℃，符合设计需求。

图5 ADC采样与控制电路

2 软件设计

Pt100的Rpt与温度T的一般关系[5]

Rpt=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3]

(4)

式中R0为Pt100铂电阻在温度为0℃时的阻值，权重系数A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。而根据传感器生产厂家的不同，权重系数有所差别。根据式(3)、式(4)，可以将ADC采集到的电压转换为对应的温度。而对于单片机而言，解三次方程的过程较为复杂，且温度T的高次幂权重系数较小，电阻值和温度的线性度较好，则利用传感器厂家提供的温度与电阻值对照表，采用遍历查表法，通过式(5)进行一次插值，即可简便而精确地计算出温度

(5)

式中T为被测温度，Tn为-50～+550 ℃范围内的第n个整数温度，温度Tn对应的Pt100电阻值记为Rn。如图6所示，单片机周期性地采集Vadc的值，计算出电阻值RT，遍历查表，找到使Rn≤RT

图6 程序流程

3 实验测试分析

为了满足现场使用需求，针对Pt100测温电路，主要进行测温精度实验和高低温度漂移实验。

在实验室环境下，-50～+550 ℃的大范围精确温度难以模拟，而某一温度下Pt100的电阻值精确已知，故而利用高精度电阻来模拟Pt100在已知温度下的电阻值，进行实验测试。

使用美国安捷伦科技有限公司的U3402A型5位半数字万用表选取具有代表性的精密电阻器，在25 ℃室温环境下，对-50～+550 ℃全量程内温度进行模拟实验测试。

如表1所示，选取80～300 Ω之间的18个电阻值，分别对应Pt100铂电阻器在-50.80～557.69 ℃之间的18个标准温度。经过测温电路，得到实测温度，由表可知，其测算误差均小于0.1 ℃。将导线长度延长至50 m和100 m不等，数据与表1基本一致，说明三线制Pt100测温系统可以消除导线误差。