遠程高精度溫度數據采集系統設計

0 引言

常用的溫度傳感器有熱電阻、集成溫度傳感器和數字式溫度傳感器等多種。熱電阻因其測量精度高，且性能穩定，在高精度溫度測量中占有重要的地位。

通常在傳感器信號經(jīng)信號調理，采用12bit、16bitAD器件對傳感器的調理信號進(jìn)行采樣，然后通過(guò)查表得到溫度值，但是因為系統噪聲、AD轉換的量化噪聲等的存在，導致測量結果產(chǎn)生誤差。本文利用24bitAD器件ADS1255作為受轉換的核心器件，利用其過(guò)采樣技術(shù)，去除引起系統通道紋波誤差的模擬濾波結構，大幅度降低系統的測量誤差，系統以鉑熱電阻PT100為溫度傳感器，測量范圍為-50～250℃，測量的分辨率為±0.01℃，高次方程尋根計算時(shí)間是毫秒量級。從硬件電路和軟件算法設計上保證了測量精度和可靠性。

1 系統工作原理

系統總體構成如圖1所示，遠程端溫度數據采集硬件原理框圖如圖2所示。PT1000產(chǎn)生的微弱電壓信號經(jīng)過(guò)調理之后送給24bitA/D轉換器ADS1255，32位處理器PIC32MX795讀取電壓值后經(jīng)過(guò)迭代計算出溫度值。時(shí)鐘、液晶用以顯示溫度、日期等信息。利用精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信，系統通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換可升級為同時(shí)采集8路溫度信號，最終將采集的溫度數據經(jīng)過(guò)Internet發(fā)送至遠程服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

2 系統硬件設計

2.1 精密恒流源

利用OP97或者OP400運放構成精密恒流源電路，基準電壓由AD公司的ADR434器件提供，該器件溫度穩定性能高。由圖3知，由電阻器R決定恒流電流I=10μA。該電流源的性能受到取樣電阻R1的溫度穩定性的影響，故應認真選擇。

2.2 信號調理電路

信號調理電路如圖4所示。通過(guò)外接電阻Rg設置放大電路的增益(G=1+50k/R)。系統的溫度測量范圍是0～200℃，因此對應電阻值范圍為1000～1940.981Ω，對應輸出電壓為10mV～19.41mV，經(jīng)過(guò)前置放大100倍。最后送入A/D轉換器的電壓幅度為1.0～1.941V。

在該系統的信號調理架構中，省掉了濾波器結構，原因在于采用了ADS1255器件，將數字濾波引進(jìn)溫度數據采集中來(lái)，降低系統模擬前端的設計復雜性，完全消除由于模擬濾波器帶來(lái)的通帶內紋波等噪聲的影響。從實(shí)際實(shí)驗的效果來(lái)看，采用ADS1255這種過(guò)采樣再數字濾波的系統結構可以大幅度降低噪聲，提高測量精度。

2.3 ADS1255轉換電路與TCP/IP通信模塊電路

A/D轉換器采用1通道、24位轉換器ADS1255，微控器選用32位處理器PIC32MX795，連接關(guān)系如圖5所示。圖6所示為DP83848的網(wǎng)絡(luò )接口。

3 下位機系統軟件設計

熱電阻的阻值和溫度的關(guān)系在-200～850℃范圍內，滿(mǎn)足式(1)(2)。

溫度和電阻值之間為非線(xiàn)性關(guān)系，傳統的測量方法是將整個(gè)溫度測量區間分成若干個(gè)近似線(xiàn)性區間，在每一個(gè)溫度區間內，電阻值和溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性，然后通過(guò)數值算法進(jìn)行擬合。但是對于PIC32處理器，利用該處理器的強大的計算能力直接進(jìn)行高次方程的數值求解應該是首選的方案。

3. 1 利用牛頓迭代法求溫度根

當0℃測量溫度溫度t，即是求方程(3)中f(t)=0的根，其中0℃

3.2 溫度與測量電壓關(guān)系式

由精密I=10μA恒流源電路和調理電路可知，A/D轉換器件的輸入電壓為：

U=I×Rt×G (8)

增益G=100，待求解溫度t和系統測量的電壓值U在如下關(guān)系：

3.3 溫度數據采集與遠程發(fā)送流程

PIC32利用牛頓迭代法實(shí)現溫度根的求取，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程數據發(fā)送，工作流程如圖7所示。

4 實(shí)驗結果與對比分析

在溫區0～100℃用不同方法進(jìn)行溫度測量，其中實(shí)際溫度由標準鉑電阻溫度計標定。測量結果如表1所示。

直接利用PIC32的計算性能求解鉑電阻物理特性方程的數值根，可以得到較高的精度，并在整個(gè)溫度區間有較好的一致性。

5 結論

本文與標準鉑電阻溫度計的對比實(shí)驗數據表明，利用24bitA/D過(guò)采樣轉換器ADS1255、微控器PIC32MX795及遠程PC機構成的數據采集系統，系統結構穩定可靠;利用PIC32的強大計算性能，直接尋找物理特性方程的根，測量精度優(yōu)于0.01℃，且一致性很高。