基于MSP430的三線制Pt100測溫系統設計與實現*

劉 意， 王午鑫

(天津工業大學 工程教學實習訓練中心，天津 300300)

0 引 言

針對礦用帶式輸送機安全監控系統，溫度測量的對象主要有：電機軸、減速機、滾筒、導料槽周邊、落料管及周邊溫度等，各個被測對象的溫度范圍不同，傳感器探頭的導線較長，要求的測量精度高，測點數量多，而電路工作的環境溫度變化大，要求Pt100鉑電阻測溫電路具有高精度、大量程、低溫漂、低功耗和低成本等特點。國內外使用Pt100傳感器測量溫度，大多具有局限性，其溫度測量范圍僅針對某一特定的應用場景，測溫范圍較小；在減少溫度漂移方面考慮不足，缺乏對電路器件的分析和選擇，沒有進行高低溫測試實驗，因而其設計出的測溫系統僅停留在實驗階段，難以適應不同的工作環境；鮮有采用低功耗設計理念，當其大量應用于實際工作中，功耗的疊加會對電源系統提出更高的要求，增加系統設計的難度，且方案并非成本最優。文獻[1]提出的Pt100測溫電路存在較為明顯的理論誤差，該誤差會隨著測量范圍的增大而增加。本文在修正了現有Pt100測溫電路理論誤差的基礎上，綜合考慮擴展測量范圍、減少溫漂、降低功耗與成本，提出一種滿足帶式輸送機安全監控系統測溫要求的Pt100測溫系統，該系統通過硬件電路調理與采集，結合軟件算法的擬合與修正，可以完全消除導線電阻誤差，測量精度高，量程覆蓋帶式輸送機安全監控系統的測溫范圍，溫漂、功耗和成本相對較低，最終通過通信接口將溫度數據發送至上位機。

1 硬件電路設計

根據現場的實際需求，電路需要采集Pt100的電阻值，將電阻值轉換為對應的溫度值，并通過通信接口將溫度數據發送給上位機。因此，系統的硬件電路如圖 1所示，包括兩部分：三線制Pt100信號調理電路，模/數轉換器(analog to digital converter,ADC)采樣與控制電路。

圖1 硬件框圖

1.1 三線制Pt100信號調理電路

工業現場的傳感器探頭一般離監控中心較遠，而銅導線在20 ℃的電阻率約為0.017 2 Ω·mm2/m，長距離的導線勢必存在導線電阻值，而該電阻值會影響Pt100測溫的精度，因此，使用三線制Pt100傳感器，通過信號調理電路，消除導線電阻值帶來的誤差。三線制Pt100信號調理電路包括三部分：恒流源電路、Pt100采樣電路和放大電路。

1.1.1 恒流源電路

如圖2所示，恒流源電路以運算放大器U1，2.5 V精密穩壓器D1和精密電阻器R3為核心，利用運放的電壓跟隨特性設計而成。

圖2 恒流源電路仿真

精密穩壓器D1和電阻器R1串聯接在電壓和參考地之間，此時U1的正輸入端與正電源之間的電壓為精確的2.5 V，電阻器R3接在正電源和U1的負輸入端之間，根據運算放大器的“虛短”特性可知，R3兩端的電壓為精確的2.5 V。Q1和Q2兩級PNP三極管組成復合三極管，其電流放大倍數是Q1和Q2的放大倍數的乘積。選擇放大倍數大于100的2N5401，則復合三極管的電流放大倍數大于10 000，因此，參考電流Iref約等于Q2的IE，精確度優于0.01 %，則恒流源電流Iref恒等于流經R3的電流。由于R3上的電壓是2.5 V，所以放大器的輸出電壓小于2.5 V，在不影響放大器輸出擺幅的情況下，且為確保放大器能夠輸出與參考地相近的電壓，并盡量降低系統功耗，使用低電壓±5 V供電。文獻[2，3]均使用惠斯通電橋，而電橋在消除導線誤差時，功耗較高。因此本文設計不采用。

電路中R3取5.1 kΩ，經仿真驗證，當Pt100的阻值在50～400 Ω變化時，恒流源的輸出電流Iref恒定為490.192 μA，與理論值基本一致。

為確保設備精度，且能夠適應各種惡劣工作環境，運算放大器選用OP37AZ，其工作溫度為-55～+125 ℃，溫漂低至0.6 μV/℃，長期失調電壓僅為0.2 μV/月。2.5 V穩壓器選用溫漂低至10×10-6/℃、穩壓精度高達0.05 %的LM4030穩壓器，電阻器選用10×10-6的低溫漂、千分之一精密電阻器。

1.1.2 Pt100采樣電路

為了消除長距離傳輸線上帶來的電阻誤差，系統采用比例減法器，將傳輸線上的誤差消除。如圖3所示，三線制Pt100傳感器等效為3個相等的導線電阻r1，r2，r3和可變電阻Rpt的串并聯模型。恒定電流Iref沿線流經r1、可變電阻Rpt和r3，導線電阻誤差是由于傳感器回路中串接了r1和r3，消除導線壓降即可得到標準的傳感器電壓。

圖3 三線制Pt100采樣電路

根據運算放大器的“虛斷”，取R4=R6=200 kΩ，R5=R7=100 kΩ，得

(1)

由“虛短”,V4+=V4-,得Vo=Ua-2Uc。

由于R5的阻值是導線電阻r2的萬倍以上，r2的壓降忽略不計，認為Ub=Uc。導線電阻r1和r3上的壓降是相同的，均等于Ub，所以,消除導線壓降后的Pt100電壓VRP，即放大器的輸出電壓為

VRP=Vo=Ua-2Ub

(2)

為確保運算精度，R4，R5，R6，R7均使用低溫漂、千分之一精度的精密電阻器。

1.1.3 放大電路

如圖4所示，放大電路采用OP37AZ有源放大電路，將采樣電路輸出的電壓Vo放大。

由于主控芯片外接ADC的參考電壓為1.25 V，其單極性采集范圍為0～0.625 V。當被測溫度在-50～+550 ℃之間變化時，Pt100的阻值在80～300 Ω之間變化，則Vo的變化范圍為39.215～147.057 mV。故將Vo放大4倍，即可將電壓放大到ADC采集的全量程，有Vadc=4Vo=4(Ua-2Ub)。

因此，Pt100的電阻值Rpt與Vadc的關系如下

(3)

文獻[1]中的Pt100采樣電路與放大電路共用同一個放大器，其輸入輸出傳遞函數成立的條件是：比例減法電阻值R6，R7應遠遠大于比例放大電阻值R8和R9[4]。而電路中其阻值僅相差一個數量級，顯然結果是不精確的。故本文設計中Pt100采樣電路和放大電路分別使用獨立的放大器，利用放大器的高輸入阻抗、低輸出阻抗特性，將比例減法電路與比例放大電路獨立開來，徹底消除理論誤差。為確保測量精度，R11，R12器均使用低溫漂、千分之一精度的精密電阻器。

1.2 ADC采樣與控制電路

由于Pt100測溫電路廣泛地分布于實際工作現場，當埋設的點數較多時，其功耗的增加意味著對系統電源輸出能力和可靠性的要求進一步提高。而系統要求0.1 ℃以上的分辨率和-50～+550 ℃的大量程，則ADC的分辨率要大于14位。考慮到Pt100測量結果的線性擬合與修正，主控芯片的RAM要大于512 B，Flash要大于4 kB。故本文設計采用內部集成16位ADC的低功耗主控芯片MSP430FE4272。該芯片內部集成兩通道16位差分ADC，具有1 kB RAM和32 kB閃存，使用16位精簡指令集，最小指令周期為125 ns，休眠模式下最低工作電流可降低至0.1 μA， 具有多種通信接口，符合設計需求。

如圖5所示，放大電路的輸出阻抗小[5]，單片機內部的ADC輸入阻抗在100 kΩ以上，故將放大電路的輸出Vadc直接接在單片機的差分ADC正輸入引腳，ADC負輸入引腳接信號地。單片機內部的參考電壓精確度較低，為±5 %，故使用外接參考電壓源REF3012，該芯片輸出電壓為1.25 V，精確度高達0.2 %，工作溫度為-40～+125 ℃，全溫度范圍內的溫漂僅為75×10-6/℃，符合設計需求。

圖5 ADC采樣與控制電路

2 軟件設計

Pt100的Rpt與溫度T的一般關系[5]

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

(4)

式中R0為Pt100鉑電阻在溫度為0℃時的阻值，權重系數A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。而根據傳感器生產廠家的不同，權重系數有所差別。根據式(3)、式(4)，可以將ADC采集到的電壓轉換為對應的溫度。而對于單片機而言，解三次方程的過程較為復雜，且溫度T的高次冪權重系數較小，電阻值和溫度的線性度較好，則利用傳感器廠家提供的溫度與電阻值對照表，采用遍歷查表法，通過式(5)進行一次插值，即可簡便而精確地計算出溫度

(5)

式中T為被測溫度，Tn為-50～+550 ℃范圍內的第n個整數溫度，溫度Tn對應的Pt100電阻值記為Rn。如圖6所示，單片機周期性地采集Vadc的值，計算出電阻值RT，遍歷查表，找到使Rn≤RT

圖6 程序流程

3 實驗測試分析

為了滿足現場使用需求，針對Pt100測溫電路，主要進行測溫精度實驗和高低溫度漂移實驗。

在實驗室環境下，-50～+550 ℃的大范圍精確溫度難以模擬，而某一溫度下Pt100的電阻值精確已知，故而利用高精度電阻來模擬Pt100在已知溫度下的電阻值，進行實驗測試。

使用美國安捷倫科技有限公司的U3402A型5位半數字萬用表選取具有代表性的精密電阻器，在25 ℃室溫環境下，對-50～+550 ℃全量程內溫度進行模擬實驗測試。

如表1所示，選取80～300 Ω之間的18個電阻值，分別對應Pt100鉑電阻器在-50.80～557.69 ℃之間的18個標準溫度。經過測溫電路，得到實測溫度，由表可知，其測算誤差均小于0.1 ℃。將導線長度延長至50 m和100 m不等，數據與表1基本一致，說明三線制Pt100測溫系統可以消除導線誤差。

表1 溫度測試

針對帶式輸送機安全監控系統的工作環境，測溫電路工作的溫度范圍為-20～70 ℃。對于高低溫漂移測試，將測溫電路置于恒溫恒濕老化實驗箱中，靜止30 min后，以10 ℃為間隔，對標準溫度為0 ℃時的Pt100鉑電阻器(100.00 Ω)進行測量，得到的實測溫度如表2所示。

表2 高低溫漂移測試 ℃

可以看出，測溫電路在正常工作溫度范圍內的溫漂在±0.3℃以內，這是由于電路中放大器、參考電壓源和電阻器等元器件的微弱溫漂綜合作用所致，但其誤差較小，基本滿足實際現場工作要求。

4 結 論

針對實際工作需求，經過理論誤差分析、軟件仿真、電路設計、插值擬合修正以及實驗測試，本文所述三線制Pt100測溫系統，具有精確度高、測溫范圍廣、溫度漂移低等優點，電路設計在考慮到功能需求滿足的情況下，遵循低功耗、低成本的設計理念，因此，該三線制Pt100測溫系統具有很好的實用和參考價值。