铂电阻测温仪的设计与实现
摘要：介绍了铂电阻温度计的硬件和软件设计，并针对不平衡桥和铂电阻的电阻值和温度之间的非线性特性给温度测量带来了一定的误差参数的自适应选择，使误差达到0.5级仪表的要求。
关键词：铂电阻 查表线性化 测温仪 参数自适应
铂电阻温度传感器[1]是一种温度传感器，由其电阻和温度形成一定的函数关系。由于其测量精度高、测量范围大、复制性好、稳定性好，广泛应用于中温（-200°C～650°C)温度测量范围。
但在这种检测电路中，铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性给最终的温度测量带来了一定的误差，| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 而且由于包括传感器在内的各种硬件本身的缺陷和弱点， 因此，往往很难满足较高的指标要求。因此， 在系统设计中引入与检测技术直接相关的数据处理算法， 即软件算法实现线性化处理的要求， 可以有效地提高系统的精度， 降低成本。本测温仪通过检表线性化法获得相应的温度点A/D转换值，利用软件算法实现电路中各参数的自适应调整选择，使设计电路在给定温度范围内的分辨率近似相等，方便硬件电路设计和电阻选择，减少铂电阻温度测量电路的非线性误差。
1 系统结构
测温仪的系统硬件结构框图如图1所示。考虑到功耗、整机精度和价格，温度计单片机控制器采用NEC的8位78K0系列单片机，采用看门狗功能，提高温度计的抗干扰性能。在放大、A/D转换后，送到单片机进行处理和显示。采集时显示最值温度，超过设定值时报警。本测温仪通过USB接口与PC上位机负责设置采集开始时间、采集间隔时间等参数，读取下位机数据，进行数据分析和处理。
图1 系统硬件结构框图2 系统硬件设计
测温仪的测温电路采用典型的铂电阻电桥电路，如图2所示。该测温仪的测温电路采用软件算法中的查表线性化方法，利用软件算法对电路参数进行自适应调整选取，在保证高分辨率的情况下，使得在给定的温度范围内各点的分辨率近似相等，误差可达到0.5级仪表的要求提高了测温仪的整体性能。
图2 温度测量电路原理图2中最终输出U5将被送到A/D转换器转换测量电路的数学分析，可以得出转换器转换为数字量，然后由微处理器读入再处理。U5和Us完全成正比。因此，在设计中会Us设为A/D转换过程中的参考电压。这样，即使Us变化不会影响A/D转换器的转换结果。
由于将Us希望设置为参考电压，最大分辨率U5的输出在低温下0V当温度达到高度时，Us靠拢。第一个问题是操作放大器的输出。由于饱和问题，操作放大器的输出通常不等于电源电压，从而降低了整个电路的测量分辨率。在实际设计中使用Rail-to-Rail操作放大器，即输出上限可达到电源电压，下限可达到0V。这对整个电路至关重要。
以下是温度测量电路参数自适应调整选择的设计过程。
确定参数的原则是尽可能高的分辨率，尽可能消除铂电阻强非线性带来的温度段分辨率的明显差异。通过软件程序实现整个计算和赋值过程。
第一步是通过输入获得温度最大值和最小值，获得温度范围。
第二步是通过输入获得电阻R1、R2、R4的阻值。
为了使节点①电压大于节点②电压(因为放大电路是单电源供电，不能输出负电压)，R1的值必须大于RT最大值在温度测量范围内。同时，为保证桥路的灵敏度，R1值仅略大于(或等于)RT最大值。同时，明确放大电路的要求R4＝R5、R6＝R7.为了降低功耗，它们的值通常大于100kΩ。本设计中取R2＝100kΩ，初始值作为其临时计算；取R4＝R5＝100kΩ。
第三步是确定剩余的参数值R6、R7。
由于桥路的要求，R3＝R2，R4～R7的电阻值相对较大，可以忽略其影响来计算节点①和②电压差(U12)从而找出变化范围R6、R7的阻值(R4电阻值乘以放大倍数K)。
第四步，计算RT当取最大值和最小值时，最小值。
此时已知R1～R所有7的电阻值都可以计算出具有这些参数的电路RT取最大值的分辨率。例如，当温度为-30时°C时RT取最大值，求出U5值；然后检查铂电阻分度表RT在-29°C当时的电阻值再次找到另一个电阻值U5.两者之间的绝对值相对表示该电路的分辨率。差值越大，分辨率越高。同样，电路也可以在那里RT最小值的两个输出电压U5之差。
第五步，迭代[3]取优。
迭代的目标是使两端尽可能(即RT最大值和最小值的分辨率相同。如果两者不同，则以一定的步长增加R2.直到两端的分辨率基本相同。此时可以确定R2、R3和R6、R7的值了。
最后，输出电路的给定值和所有参数值和温度对应A/D转换值。测量电路中各参数的程序流程图如图3所示。
图3 为了为实际应用中组件值的选择提供参考，分析了温度测量电路的误差。当电阻值精度为0时.1%时，-30°C～40°C各整数点的相对误差见表1。 表1 电阻精度为0.1%时各温度点的相对误差
-30°C -20°C -10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 0.141% 0.187% 0.251% 0.325% 0.400% 0.470% 0.528% 0.574%是0，因为整个仪器的误差是根据最大误差计算的.对于5级仪表，这样的误差有点大。但是由于0.1%的电阻精度已经比较高了，不可能单靠提高电阻精度来减少相对误差。在实际生产中，为了保证一定的精度，可以进一步筛选使用的精密电阻，将电阻分为两组：大于标称值和小于标称值，并在特定组中使用电阻。这实际上是电阻精度的两倍，当系统在每个整数温度点的系统相对误差见表2。 表2 筛选精度为0.当电阻为1%时，各温度点的相对误差
-30°C -20°C -10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 0.076% 0.100% 0.134% 0.172% 0.209% 0.242% 0.267% 0.287%的误差完全满足0.因此，建议在实际生产中采用这种方法来提高仪器的整体性能。
3 系统软件
系统软件分为上位机，即PC端软件和下位机是单片机模块的软件两部分。下位机使用NEC的78K0系列单片机，所以编译调试环境是NEC的Project Manager和ID78K0，程序均用NEC单片机C语言编写；使用上位机Visual Basic语言编写。
上位机主要负责初始参数的设置和数据采集后的数据统计和保存。
温度计初始化时，需要与上位机连接，然后通过上位机软件确定温度开始时间、温度总时间、温度报警最大值和最小值、采样间隔时间等参数；温度计完成参数采集后，可以将数据传输到上位机，通过上位机软件绘制温度数据波形进行统计分析，然后存储数据PC机中。因为测温仪扩展了256K的EEPROM24C256基本能满足多次测温的要求。
下位机主要负责温度采集。首先，用户通过上位机软件设置温度采集的开始时间、采集时间间隔、报警温度等参数，然后开始采集温度数据。当温度超过报警温度值时，蜂鸣器发出报警信号。下位机程序的流程图如图4所示。
图4 该测温仪已投入生产，用于食品等生产运输过程的温度监测。铂电阻温度测量电路的线性检查方法选择了电路参数进行自适应调整，降低了铂电阻值与温度之间的非线性特性和不平衡桥中非线性特性引起的系统误差，使系统误差达到0.5级仪表的要求提高了温度计的整体性能，可以满足一些对温度变化敏感的食品加工等场合的温度监测需求。