PT100

文章编号：[键入文章编号]基于铂电阻测温的研究与软件设计李亚洲（齐鲁工业大学电气工程与自动化学院，山东济南250353）摘要：本文对铂电阻温度传感器进行了研究，在硬件和软件方面进行了设计。采用恒流源作为铂电阻激励电流，选用精密放大器对微弱电压信号放大，采用MSP430单片机进行A/D转换及温度显示等控制。由于铂电阻与温度的对应关系复杂，本文用查表法完成了软件设计，免去软件设计的复杂性。软件仿真和实验表明，此方案在测温范围和精度上满足工业控制的要求。关键词：铂电阻；恒流源；单片机；查表法中图分类号：TM72文件标识码：ABasedontheresearchofplatinumresistancetemperaturemeasurementandsoftwaredesignLiYazhou（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,QiluUniversityofTechnology,Jinan250353,China）Abstract：Inthispaper,thetemperaturesensorofplatinumresistanceisstudied,bothhardwareandsoftwareisdesigned.Constant-sourcecurrentisusedasexcitationcurrentforplatinumresistance,Thelowvoltagesignalisamplifiedbytheprecisionamplifier.TheA/Dconvert,theLCD,andsoonarecontrolledbytheMSP430MCU.Owingtocorrespondencerelationshipbetweenplatinumresistanceandtemperatureisverycomplex.,thesoftwaredesignisaccomplishedthroughlookinguptableinthisarticle,anditalsoreducesthecomplexityofthesolution.Thesoftwaresimulationandexperimentationresultsshowthattheschemeisabletomeetthegeneraldemandsofindustrialcontrolintemperaturemeasurementaccuracyandscope.KeyWords：platinumresistance;constantcurrent;MCS;lookuptablemetho引言温度传感器是应用最广的传感器之一[1]，无论在日常家电还是在工业控制过程中都有广泛的应用。一般的测温仪表大多存在这样的问题：测量精度高的测温范围窄；测温范围宽的精度又不高，因此这些测温仪不论是测试精度、还是测温范围都不能满足某些特定温度测试要求[2]。铂热电阻因其测温范围广，覆盖了低温、常温和高温，精确度高，稳定性好而被广泛的采用。由于铂电阻的电阻Rt和温度t之间成非线性关系[3]，为了得到较高的精度，故在测温电路或软件设计上都较为复杂。有的采用六端电桥非线性补偿[4]，有的采用三导线单臂电桥，有的采用最小二乘法曲线拟合法补偿。本文是基于恒流源对铂热电阻的采样电压进行放大，然后直接送单片机进行A/D转换及数据处理。如今，随着微处理器的不断发展和升级，为了简化电路，节约成本，利用软件对热电偶进行非线性补偿已成为主流，本文就是基于查表法测温的。1测温环节设计一个稳定且精确的恒流源是保证测温精度的基础。由于恒流源的长引线电阻会带来较大的误差，故采用四线制将恒流源的长引线和信号输入分开，避免引线电阻带来的误差。铂热电阻随温度变化较小，往往还需要将输入信号放大，所以高精度放大器对于测温也极为重要，除此之外，单片机的A/D转换精度也同样重要。从以上分析来看，组成测温电路的环节较多，而且每一个环节都会对测温结果产生重大影响，再加上工业现场环境复杂。所以要保证测温的精度并不容易，本文也采用了一定的软件补偿。铂热电阻的阻值与温度的关系如下：(1)−200℃t0℃时，RPt100=100×[1+At+Bt2+Ct3(t−100)](2)0℃≤t850℃时，RPt100=100×[1+At+Bt2]式中，A=3.90802×10−3；B=5.8×10−7；C=4.2735×10−12。从上式中可以看出，在常温0℃~100℃时线性度非常好，当温度变化1摄氏度，Pt100阻值变化0.39欧。但是，在其它温度段则呈现非线性。1.1恒流源设计恒流源用于产生1mA的电流，作为铂电阻Pt100的激励电流。本文采用了一种负载接地的实用型电压-电流转换电路。如下图1所示。U1引入负反馈构成同向求和运算电路，U2引入了负反馈构成电压跟随器。因此由图1可得：R1=R2=R3=R4=25K(1)𝑈𝑂2=𝑈𝑃2(2)𝑈𝑃1=𝑅4𝑅4+𝑅3𝑈𝐼+𝑅3𝑅4+𝑅3𝑈P2=0.5UI+0.5𝑈P2(3)𝑈𝑂1=(1+𝑅2𝑅1)𝑈𝑃1=2𝑈𝑃1(4)故再由(4)式和(3)得：𝑈𝑅5=𝑈O1−𝑈𝑃2=2𝑈𝑃1−𝑈𝑃2=𝑈𝐼+𝑈P2−𝑈P2=𝑈𝐼(5)所以：𝐼𝑃𝑡100=𝐼𝑅5=𝑈𝑅5𝑅5=𝑈𝐼𝑅5=1𝑚𝐴图1实用电压/电流转换电路1.2信号放大电路一般来说传感器输出的信号比较微弱，需要放大后才可被处理。如下图2所示，铂电阻pt100采样电压Uin经高精密放大器放大后再送入单片机进行A/D转换，其中R1=R2=47K，R3=R4=470K，由下图可得：𝑈in−𝑈+𝑅1−𝑈+𝑅3=0(6)𝑈o−𝑈−𝑅4−𝑈−𝑅2=0(7)𝑈+=𝑈−(8)联立解得：𝑈0𝑈𝑖𝑛=1+𝑅4𝑅2⁄1+𝑅1𝑅3⁄=10(9)故放大倍数为10。图2信号放大电路2软件设计从上文铂电阻温度与电阻的关系式中可以看出。一方面，温度与电阻值为非线性关系，并且不易求出温度随电阻值变化的关系式。另一方面，温度与电阻值呈现正比例关系，这对本文软件设计采用查表法测温极为重要。首先，需要建立一张表，从-200℃到850℃以每5℃为一步记录相应的电阻值，电阻值从小到大共211个数据，对应从-200℃到850℃间隔为5℃的温度值。通过单片机的A/D转换及数据处理，很容易求出铂电阻的阻值。然后和表中的电阻值相比较，通过二分查找法获取与它左右相邻的电阻值在表中的位置。由于相邻电阻值之间的温度只相差5℃，可以近似线性化处理。例如，已求出铂电阻的阻值为R，通过二分查找法得出：𝑅𝑛≤R≤𝑅𝑛+1(0≤n≤210)。故温度T可由下式得出：T=−200+5×n+𝑅−𝑅𝑛𝑅𝑛+1−𝑅𝑛×5(10)3总结本文通过对铂电阻Pt100的软硬件设计，采用负载接地电压-电流转换电路产生稳定的1mA电流作为铂电阻的激励源。选用精密放大器LMP2011MA保证了采用电压精确放大。同时，选用含有12位A/D转换的MSP430F249高性能单片机。软件设计采用查表法，免去了软件设计的复杂性。本设计可覆盖铂电阻Pt100全部测温范围，精度较高，而且十分经济，迎合现代工业发展的需求。参考文献:[1]张洵,靳东明,刘理天.半导体温度传感器研究进展综述[J].传感器与微系统,2006,03:1-3.[2]吕方瑶,张池军,闫勇,曹佩韦.一类高精度温度测量技术研究[J].电子测量技术,2011,08:88-90.[3]李书泽,张武高,张荣荣,黄震.高精度铂电阻测温电路优化设计[J].工业仪表与自动化装置,2005,01:27-28+26.[4]赵岚,齐德荣.热电阻测温电路非线性补偿[J].传感器技术,2002,05:48-50.