一种高精度测温装置的设计

摘要：设计了一种基于铂热电阻的高精度测温装置，该装置以单片机为控制核心，采用热电阻传感器检测目标的温度信息，利用软件编程完成温度信息的计算处理及系统功能实现，并通过LED显示相应测量数据。该装置具有温度数据显示、工作模式选择、无线通信等功能。
关键词：热电阻；工作模式；单片机；无线通信

0 引言
    在工业生产和日常生活中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量和控制温度，因此温度测量的场合极其广泛。热电阻是工程上应用广泛的温度传感器，使用最多的铂热电阻温度传感器零摄氏度标称中阻值为100Ω和10Ω，电阻变化系数为0．003851。铂热电阻温度传感器精度高、稳定性好，应用温度范围广，是中低温区最常用的一种温度传感器，不仅广泛用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。
    该装置结合单片机和传感器技术，采用AD517及ADSlllO芯片和EL-700铂热电阻设计了一种具有无线发射与接收模块的高精度测温装置。该装置既可以单机工作，利用单片机来实现信号检测、处理及显示。又可以利用无线收发模块实现系统与计算机的无线通信，利用计算机实
现数据的分析、处理及打印。该测温系统设计简单，具有较高测温分辨率及友好的人机界面，试验数据表明，系统具有较高的测量精度。

1 硬件设计
1．1 热电阻的测温电路
    热电阻的测温电路如图1所示，该电路由毫安级恒流源产生电路、差分运算电路和AD517芯片组成。该电路采用两个完全相同的毫安级恒流源分别给热电阻RT和标准参考电阻Rf供电。在恒流源电路中，VD1和VD2为带温度补偿的稳压二极管，四个PNP型的三极管T1、T2、T3和T4组成了两个PNP型复合管，其目的是为了提高放大器的增益，减小误差，以便提高恒流源的稳定度。恒流源与RT和Rf(Rf取为Rf=100Ω)与地组成的电路产生的电压作为差分运算电路的输入信号，根据电路的组成，可以得到差分运算电路的输出电压是与热电阻的阻值成正比的，通过选择合适的元器件参数把该装置的测温范围设置为0～120℃。该测温电路的AD517芯片为高精度、低温漂的单片集成运算放大器，ADSlllO是业界最小封装的6位△一∑型及输入电压范围为0～2．048V的模数转换芯片。测温电路中AD517的作用是将差分运算电路的输出电压调整到一个
合适的范围，以方便后面的ADSlll0进行模数转换。图中R9：和R10为比例放大电阻，RP为集成运放AD517的调零电阻，典型值为20kΩ。经过放大电路调整后的输出电压典型值为Uo，即可作为ADSlll0输入电压，经过A／D转换成数字信号之后送入单片机中进行处理。

1．2 总体设计
    此基于EL-700铂热电阻传感器的高精度测温装置既可以单机工作，又可以通过无线收发模块实现与计算机之间的无线数据传输，把采集到的温度信号送到计算机中进行分析、处理及打印，从而实现数据的远距离传输与处理。测温装置主要由温度信号的检测与采集电路、LED显示、按键控制、电源、报警及复位、无线发射与接收等功能模块组成，每一个电路模块完成一定的功能，测温装置的硬件总体组成框图如图2所示。

    电源模块为整个装置提供电源，在单机工作模式下，利用EL-700铂热电阻温度传感器来检测被测物体的温度信息，传感器的输出信号由测温电路模块进行处理及放大之后经模数转换器ADSlll0转换为数字信号送入单片机中，由软件编程来实现温度的显示及控制功能；LED数码管显示模块用来显示相应的温度数值及温标信息；通过按键控制模块及相应的程序可以实现装置的工作模式选择、摄氏温度与华氏温度显示选择等功能。

2 系统的软件设计
    软件是整个系统的灵魂，它是系统算法和功能实现的关键，整个测温系统是在程序控制下进行工作的，本系统的软件设计中我们选择以单片机C51语言为主，以汇编语言为辅，采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，增强了程序的可移植性。整个软件系统主要有单片机主程序、键盘控制子程序、开机自检子程序、温度检测及显示子程序、中断子程序等。单片机主程序流程图如图3所示。

    系统上电后单片机首先进行系统初始化，之后程序执行相应的自检子程序，检测测温系统是否有故障。系统默认进入的单机工作模式，在单机工作模式下，可以根据功能按键选择不同的功能，通过系统调用相应的功能按键处理子程序来完成应的功能，并在LED数码管上显示相应的温度信息，具有非常好的人性化特点；在无线工作模式下，此时系统作为一个下位机，可以和远程计算机进行无线通信，实现数据的远距离传输，利用计算机强大的信息处理功能，把下位机传送过来的数据进行分析和处理。

3 试验结果及分析
    试验数据通过对普通热水器加热中的水温进行测量取得，测量中采用实验用高精密数字测温仪的示值温度作为被测物体温度检测点的温度真实值，本测温装置测得的温度信息经过电路的转换及单片机的处理后，测得的温度信息在LED数码管上的显示值如表l所示。从表中的数据可以看出，本系统LED显示值和真实值很接近；试验过程中，由于测量环境及其它因素的影响，使得系统的测量值在真实值上下波动，但温度的实际相对误差始终保持在1％以内，从而证明了本测温装置完全能够满足实际的测量要求。

4 结论
    文中以单片机为测温装置的控制及数据处理核心，设计了基于铂热电阻的高精度测温装置，具有两种工作模式；采用两个完全相同的毫安级恒流源分别给热电阻和参考电阻供电，利用高精度的模数转换芯片ADS1110完成温度信息的采集及A／D转换，从提高了装置的测量精度；通过单片机的软件编程完成线性化算法及进行数据处理运算，并结合功能按键来实现系统的不同功能。试验数据的结果表明，此测温装置具有较高的测量精度，具有非常广泛的实际用途。