WZP-24SA隔爆鉑電阻測溫儀的設計與實現

WZP-24SA隔爆鉑電阻是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確高、測量范圍大、復現性和穩定性好等，被廣泛用于中溫（-200℃～650℃）范圍的溫度測量中。   

但在這種檢測電路中，不平衡電橋中以及鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性給后的溫度測量帶來了一定的誤差。早期通常采用硬件電路來減小這種誤差。但硬件法不但增加了電路的復雜性，而且由于包括傳感器在內的各種硬件本身的缺陷和弱點，以往往難以達到較高的指標要求。因此，在系統的設計上引入與檢測技術直接相關的數據處理算法，即軟件算法來實現線性化處理的要求，可以有效地提高系統的精度，降低成本。   

WZP-24SA隔爆鉑電阻測溫儀通過采用查表線性化得出溫度各點對應的A/D轉換值，并且利用軟件算法實現了電路中各參數的自適應調整選取，在盡可能提高分辨率的情況下使設計的電路在給定的溫度范圍內各點的分辨率近似相等，從而方便了硬件電路的設計和電阻的選取，也減小了鉑電阻測溫電路的非線性誤差。   

1 系統結構   

測溫儀的系統硬件結構，考慮到功耗及整機的精度和價格等問題，鉑電阻測溫儀的單片機控制器采用ENC的8位78K0系列單片機，并啟用了看門狗功能，以提高測溫義的抗干擾性能。測溫系統采用不平衡電橋測量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號，經過放大、A/D轉換后，送到單片機中進行處理和顯示。采集時顯示值溫度，過設定值則報警。本測溫儀通過USB接口與PC機連接，上位機負責設置采集開始時間、采集間隔時間等參數，并讀取下位機數據，進行數據分析和處理。   

2 系統硬件設計   

上海自動化儀表三廠的鉑電阻的測溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，該測溫儀的測溫電路采用軟件算法中的查表線性化方法，利用軟件算法對電路參數進行自適應調整選取，在保證高分辨率的情況下，使得在給定的溫度范圍內各點的分辨率近似相等，誤差可達到0.5級儀表的要求，提高了測溫儀的整體性能。    

輸出的U5將被送到A/D轉換器轉換為數字量，然后由微處理器讀入再進行處理。通過對溫度測量電路的數字分析可以得出，U5和Us是成正比的。因此，在設計中將Us設為A/D轉換過程中的參考電壓。這樣，即使Us有變化，也不會影響A/D轉換器的轉換結果。    由于將Us設為了參考電壓，為了大化測量的分辨率，希望U5的輸出在溫度低向0V靠攏，而在溫度高向Us靠攏。這樣，首先存在的一個問題便是運算放大器的輸出問題。通常，運算放大器的輸出并不等于電源電壓，因為存在一個飽和問題，這樣便降低了整個電路的測量分辨率。上海自動化儀表股份有限公司在實際設計中，使用的是Rail-to-Rail的運算放大器，即輸出上限可以達到電源電壓，而下降可以達到0V。這一點對于整個電路來講是非常關鍵的。   

3 系統軟件   

系統的軟件分為上位機即PC端軟件和下位機即單片機模塊的軟件兩部分。下位機由于采用的是NEC的78K0系列單片機，因此編譯調試環境為NEC的Project Manager和ID78K0，程序均用NEC單片機的C語言編寫；上位機使用Visual Basic語言編寫。  

上位機主要負責初始參數的設置以及數據采集完以后的數據統計及保存。   

測溫儀初始化時，需要和上位機連接，然后通過上位機軟件來確定測溫開始時間、測溫時間、溫度報警大值和小值以及采樣間隔時間等參數；測溫儀完成一次參數采集后，可以將數據傳送到上位機，通過上位機軟件來畫出溫度數據的波形，進行統計分析，然后將數據存儲在PC機中。由于測溫儀外擴了256K的EEPROM24C256，基本上可以滿足多次測溫的要求。   

 下位機主要負責溫度采集。首先用戶通過上位機軟件來設定溫度采集的開始時間、采集時間間隔以及報警溫度等各個參數，然后開始采集溫度數據。采集時顯示值溫度，當溫度出報警溫度值時，蜂鳴器發出報警信號。   

該測溫儀已經投入生產，應用在食品等生產運輸過程的溫度監控中。鉑電阻測溫電路的查表線性化的方法，自適應調整選取了電路參數，減少了鉑電阻的阻值和溫度之間的非線性特性以及不平衡電橋中非線性特性引起的系統訪問，使得系統誤差達到0.5級儀表的要求，提高了測溫儀的整體性能，可以滿足一些對溫度變化比較敏感的食品加工等場合的溫度監控的需求。