基于MAX1415的溫度采集系統設計

王曉寧，陳光輝，李如華，魏建倉，易 軍，袁 晶

基于MAX1415的溫度采集系統設計

王曉寧，陳光輝，李如華，魏建倉，易 軍，袁 晶

目的：研制一套數字化溫度采樣系統。方法：以鉑電阻Pt100為溫度傳感器，與A/D轉換芯片MAX1415構成前向通道，配合MCS51單片機工作，組成一種非電橋式溫度測量系統。結果：該溫度采集方案已在與解放軍總醫院心內科合作項目中得到應用，經實際測試，加熱范圍為室溫～300℃，控溫精度實測達到 ±0.05℃，達到設計要求。結論：該系統工作穩定，軟硬件設計制作簡便，適用于多種溫度測量場合，有廣闊的應用前景。

溫度傳感器；鉑電阻；A/D轉換芯片；溫度采集系統；單片機

AbstractObjectiveTo develop a digital temperature sampling system.MethodsThis system was one of non-electrical bridge device made up of platinum resistance Pt100 and A/D converter MAX1415.ResultsBy the means of practical testing,the system ran well and was applied in the cooperation project in Department of Cardiology of General Hospital of PLA.Heating range was from room temperature to 300℃ and temperature control accuracy was±0.05 ℃ for design requirement.ConclusionWith the characteristics,of stable operation and the convenient design of software and hardware，the application of instrument has a bright future in the market.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：14-16]

Key wordstemperature sensor；platinum resistance；A/D converter；temperature collecting system；MCU

1 引言

鉑電阻Pt100是一種使用率很高的溫度測量用傳感器[1]，在0℃時的阻值為100 Ω，溫度檢測范圍大（-200～+650℃），廣泛應用于化工、冶金、環境檢測、醫藥衛生、實驗室設備等多種行業及多種電子類產品。Pt100溫度傳感器具有體積小、價格低、性價比高、抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓、工作時間長等特點，如果在其外部封裝上不銹鋼管，還具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、抗氧化等優點。

本研究采用傳統的Pt100作為溫度傳感器，與高性能的16位A/D轉換芯片MAX1415構成前向通道，配合MCS51單片機工作，組成一種非電橋式溫度測量系統，同時給出了相關的電原理圖和完整的用KEIL C編寫的源代碼，為廣大電子工程師提供了一種方便、快捷使用鉑電阻Pt100作為溫度測量傳感器的新方法和新途徑[2]。

2 設計思路

由于鉑電阻Pt100在工作溫度范圍內（-200～+650℃）的電阻值偏低，所以在傳統的惠斯通電阻式平衡電橋與信號放大電路組成的溫度檢測前向通道中，電路的放大系數往往會調得比較大，這樣在檢測信號提取時，不光是將需要檢測的信號進行了放大，同時干擾信號也會比較大，僅僅是處理這部分干擾信號就已經是很復雜的設計工作了，非常不利于提高檢測精度、優化硬件系統和降低生產設計成本。對于一些經驗不足的電子工程師來說，使用和設計起來比較麻煩。

為避免上述情況，本研究設計采用恒壓源加匹配限流電阻加鉑電阻Pt100，進行溫度信號采集。現在很多芯片都能提供恒壓源，當工作電壓流不超過恒壓源最大電流限制時，恒壓源都能提供一個穩定的輸出電壓。限流電阻的大小一定要匹配恒流源和Pt100，從而保證溫度傳感器上的電壓變化，符合A/D轉換器的輸入信號要求。

美國美信公司出品的A/D轉換器MAX1415[3]具有很多特有的性能優點：低功耗、2通道、串行輸出模數轉換器（ADC）使用一個具有數字濾波器的Σ-Δ調制器，分辨率達16位，無失碼。MAX1415具有內部振蕩器（1 MHz或2.457 6 MHz）、片上輸入緩沖器以及可編程增益放大器（PGA）。供電范圍較大（2.7～3.6V）。當使用3 V電源工作時，功率損耗低于1.44 mW[4]。

自校準和系統校準功能允許MAX1415修正增益和失調誤差。出色的直流性能和低噪聲特性，使MAX1415可用于測量動態范圍較寬的低頻信號，可接受全差分雙極性/單極性輸入，內部輸入緩沖器允許接收高阻抗源提供的信號。PGA和數字濾波允許直接采集信號，無需或只需少數的信號調理電路，極大地簡化了硬件電路的設計，節省了開銷。

3 硬件設計

本研究中，A/D轉換器選用MAX1415，組成一種非電橋式溫度測量系統的前向通道。

硬件電路設計中，要注意如下幾個問題：

（1）芯片參考電壓 Vref=Vref+-Vref-，Vref的最大值是 1.225 V；

（2）信號輸入電壓 Vin×放大倍數 Gain≤參考電壓 Vref；

（3）恒壓源Vref3V在使用時，注意工作電流不超過其電流限制。

MAX1415硬件接線圖如圖1所示。

作者單位：100850 北京 軍事醫學科學院實驗儀器廠（王曉寧、李如華、袁 晶）；300161 天津 軍事醫學科學院衛生裝備研究所（魏建倉）；100853 北京 解放軍總醫院心內科（陳光輝、易 軍）

圖1 MAX1415硬件接線圖

4 軟件設計

軟件設計中，要注意在系統初始化時，對MAX1415功能寄存器的寫操作，要正確地寫入相關設定參數[5]。

程序設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

程序源代碼如下：

程序編寫采用標準C語言[6-7]，在Keil uVision3（版本V3.30a）下調試通過，工作穩定，系統溫度檢測正常。

通過當前檢測電壓AD值，計算出當前的Pt100的實際阻值。通過Pt100阻值與溫度變化R-T對應表，查表計算得到實際溫度值[8-10]。

5 結束語

溫度測量有很多種方法和實施方案，所選用的溫度傳感器的種類[11]也是五花八門，各有利弊，設計時要根據實際情況來選定[12]。

該溫度采集方案已在與解放軍總醫院心內科合作項目中得到應用，加熱溫度范圍為室溫～300℃，控溫精度要求為±1℃，實測達到±0.05℃。圖3為該溫控儀實物圖。目前，該溫控儀已經設計研制完成，上電工作情況良好，溫度讀取與數值顯示穩定，通過實際測試，達到設計要求。

圖3 溫控儀實物圖

本文介紹的這種應用方案，具有硬件電路簡單、軟件實現便捷、測量精度高、適用范圍廣等特點，為現有的溫度檢測方案提供了有益的補充與擴展，希望能夠為電子工程師在系統設計時給予一些參考和幫助。

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[2]王振紅，侯冬.數學模型在測溫系統中的應用[J].傳感器技術，2004，23（11）：70-74.

[3]陳學珍，劉冬漢.MAX1415/1416A/D轉換器的原理及其應用[J].電氣傳動自動化，2006，28（4）：53-54.

[4]美信公司.快速瀏覽MAX1415，MAX1416[EB/OL].[2010-02-10].http：//china.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3965.

[5]美信公司.MAX1415-MAX1416.pdf[EB/OL].[2010-02-10].http：//datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1415-MAX1416.pdf.

[6]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[7]陳龍三，張琦.8051單片機C語言控制與應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

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[10]孫慧卿，郭志友.傳感器的誤差補償技術[J].傳感技術學報，2004，1（3）：90-92.

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[12]楊秋蘭.淺談溫度測量的發展現狀[J].科技傳播，2010，23（14）：113-116.

（收稿：2010-07-17 修回：2010-09-20）

Development of Temperature Collecting System Based on A/D Converter MAX1415

WANG Xiao-ning1，CHEN Guang-hui2，Li Ru-hua1，WEI Jian-cang1，YI Jun2，YUAN Jing1
（1.Experimental Instrument Factory，Academy of Military Medical Sciences，Beijing 100850，China;2.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences;Tianjin 300161,China;3.Cardiovascular Department，General Hospital of PLA，Beijing 100853，China）

TP274.2

A

1003-8868（2011）02-0014-03

王曉寧（1974-），男，陜西西安人，工程師，主要從事電子控制系統的設計研制與醫學信號的測量與處理工作，E-mail：wxnamms@sina.com。