一種高精度溫度檢測方案

陳潤明，秦 輝，韓 超

中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074

0 引言

在我國，擁有眾多十分珍貴的石窟藝術寶庫，大多都已經被列為國家重點文物保護單位，其中敦煌莫高窟、云岡石窟、龍門石窟、大足石刻已經被列為世界文化遺產。但是，近幾十年來由于空氣污染日益嚴重，空氣中CO2、SO2含量增高，使水對巖石的侵蝕能力增強，造成石窟雕像風化速率遠高于以往的歲月，導致這些藝術瑰寶逐漸失去了原有風采。而造成石窟石雕風化的水主要來源形式有窟頂與窟壁裂隙的直接滲水、對石窟外壁雕刻的直接沖刷的雨水、洞窟內石雕表面的凝結水。據了解凝結水較其它形式的水對石窟文物的影響更加嚴重，為了找到洞窟風化病害的防治對策，對洞窟內石雕表面凝結水的研究是非常必要的，而洞窟內外的溫差是形成凝結水的主控外因。

本文針對此研究提出一種具有較高精度的溫度測量方案。該系統以TI公司MSP430F169單片機為主控，采用高精度PT1000鉑電阻溫度傳感器進行測量，并選用24位模數轉換器ADS1255進行數據采集，結合液晶顯示器進行數據顯示，從而達到高精度溫度測量。

1 系統硬件設計

該方案采用的主控芯片為TI公司的MSP430F169。MSP430F169 為16-Bit RISC 架構，最高運算速度8MIPS，有六組I/O口P0～P6，計48 pin腳可供輸入輸出，數字傳輸周邊模塊提供兩組USART可作為異步、同步傳輸（支持SPI 3Pin、4Pin傳輸）、I2C接口，并且還具有超低功耗等特點，廣泛應用在計步器、血糖計、三用電表、功率計等可攜式產品應用上。

1.1 PT1000和ADS1255溫度采集硬件電路設計

金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現性和穩定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩定好，響應也較快，典型實驗數據為：在400℃時，持續300小時，0℃時的最大溫度漂移為0.02℃。應用溫度范圍廣，是中低溫區（-200℃～650℃）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計（涵蓋國家和世界基準溫度）供計量和校準使用。

ADS1255是一款高性能的A/D轉換器，其內部集成多路選擇開關MUX、可編程增益控制器PGA、四階調制器可編程數字濾波器等，具有極低的噪聲，可滿足高精度的測量要求。ADS1255能夠接收輸入幅度為0V～5V的信號若超出該范圍器件將損壞，因此若需采集的信號不在該范圍內，首先需將其線性變化0 V～5V之內才能輸入到ADS1255。

本方案選用的為鉑電阻為PT1000，級別為1/3DIN B，0℃時電阻值為1000Ω，100℃時標準電阻值為1385.1Ω，零度時阻值誤差±0.04 %，溫度誤差±（0.10+0.0017|t|）℃ ，溫度系數TCR誤差0.003851±0.000004Ω/Ω/℃。圖1所示為由PT1000和ADS1255組成的溫度采集硬件電路。

圖1 PT1000和ADS1255溫度采集硬件電路

圖中PT1000和ADS1255均采用2.5V的參考電壓，基準源選用TI公司的2.5V電壓基準REF5025。ADS1255具有檢測連接至輸入端外部傳感器的完整性的電路，傳感器檢測電路簡化，開啟傳感器檢測功時，ADS1255將自動開啟輸入緩沖器。由于ADS1255提供3路模擬輸入端，模擬多路開關寄存器可將其配置為1路差動輸入或者2路單極輸入。本方案中，ADS1255設置為差動輸入，通道0為正差動輸入通道（AIN0），通道1為負差動輸入端（AIN1）。

由于PT1000在0℃時電阻值為1000Ω，100℃時標準電阻值為1385.1Ω，變化最大約為0.38kΩ，電阻變化量較小，要得到較高精度的測量數據，所選的分壓電阻必須適當，方案中選擇的分壓電阻R8為5.1kΩ精度為0.1%的精密電阻。

1.2 ADS1255的SPI接口

ADS1255只能工作在SPI 通訊的從機模式下，采用四線制（時鐘信號線 SCLK、數據輸入線DIN、數據輸出線DOUT和片選線CS）。可以通過各種主控制器來控制 ADS1255片上的寄存器，通過串口讀或寫這些寄存器。

SPI（Serial Perip heral Interface 串行外設接口）總線系統是一個同步串行外設接口，允許 CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通訊，交換信息。外圍接口器件包括簡單的TTL移位寄存器、AD、DA 轉換器、實時時鐘、 存儲器以及LCD、LED顯示驅動器等。SPI系統使用四條線：串行時鐘線（SCK），主機輸入從機輸出數據線（MISO），主機輸出從機輸入數據線(MOSI)和低電平有效的從機選擇線（SS）由于SPI系統總線只需3～4數據和控制線即可擴展具有SPI各種IO器件，而并行總線擴展方法需8根數據線、8～16位地址線、2～3控制線，因而SPI總線的使用可以簡化電路設計，提高設計的可靠性。

2 結論

PT1000的基值為1kΩ，0℃～100℃時變化才0.38kΩ，所以當測量范圍為-30℃～50℃時變化一定小于0.38kΩ，采集到的信號需要經過一定的放大，此時可采用AD內部的PGA進行8或者16倍放大，如此雖然犧牲了AD的3或4位，但是對要達到0.1℃的精度影響不大。另外，電路在布線時一定要單點共地，防止大電流造成的壓差影響測量精度。AD內部開啟的緩沖器不可能達到軌至軌，所以會在電源和地的附近產生電壓死區，而AD的電源電壓高于基準源的電壓，故 PT1000必須是接在2.5V的基準源一端，從而防止產生電壓死區影響測量。

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