多路PT100-III型信號轉換模塊

2004年10月A版

摘要： 本文給出多路PT100-III型信號轉換模塊的軟硬件設計。
關(guān)鍵詞： 三線(xiàn)制；PT100；MODBUS

引言
PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃~600℃范圍內具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線(xiàn)性關(guān)系，所以本模塊需要進(jìn)行非線(xiàn)性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。本模塊采用了軟件查表插值的方法進(jìn)行校正，最后轉換成III型信號。III型信號是當被測信號從下量程到上量程(0%~100%)變化時(shí)，輸出線(xiàn)上對應4－20mA電流的變化。此外模塊還具有MODBUS協(xié)議的通訊端口，可以直接和任何MODBUS口連接。

圖1  采樣電路

圖2  主機電路

圖3  D/A電路

系統設計
整個(gè)模塊基于A(yíng)VR新型的Atmega16單片機，采用三線(xiàn)制形式，這樣可以去除導線(xiàn)電阻帶來(lái)的零點(diǎn)不準確，經(jīng)過(guò)差分放大電路直接得到0~5V的信號電壓，這樣就可以直接輸入到A/D轉換器。
數據處理部分，將PT100分度表中的每隔10℃的電阻值寫(xiě)入到閃存中，這樣，將得到電壓值回算到電阻值，這樣進(jìn)行查表，當電阻位于某一段之間時(shí)，再進(jìn)行線(xiàn)性處理，這樣系統的線(xiàn)性化程度比較高可以達到0.2%。
D/A轉換系統采用373芯片作為鎖存器，采用權電阻網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行D/A轉換，這樣可以節省成本，而且精度也可以得到保證。
最后再經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓電流轉換部分，把信號以III型信號傳送出去，完成模塊的功能。

圖4  V/I轉換電路

圖5  485通訊電路
采樣電路
采樣電路如圖1所示，PT100以三線(xiàn)制接到J0，這樣連接PT100的兩側的導線(xiàn)長(cháng)度相等，而且分別加在兩側的橋臂上，這樣導線(xiàn)電阻得以消除，當PT100輸出100Ω時(shí)可以調節R1的阻值，以調整溫度下限，當溫度范圍是0~300℃時(shí)，電橋電壓經(jīng)過(guò)放大后，Anolog0的電壓正好是0~5V，這樣可以完整使用單片機的A/D轉換器的轉換精度。
主機電路
主機電路如圖2。CPU采用Atmega16 ，它自帶8路10位A/D轉換器，轉換速度快，精度高，而且不需要外擴任何器件。74LS138用來(lái)譯碼，分別選通各路的鎖存器。采用8MHz的晶振，速度完全可以滿(mǎn)足系統的要求。A/D轉換的參考電壓直接是VCC，這可節省硬件，簡(jiǎn)化電路，在對精度要求較高的情況下可以選擇精密穩壓器件，如TL431。
D/A轉換電路
為了節省成本，本系統沒(méi)有采用專(zhuān)用D/A轉換芯片，而是運用D/A轉換的原理，利用權電阻網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行D/A轉換器，這樣精度可以保證，而且速度比較快，CPU控制也是比較簡(jiǎn)單的。電路如圖3所示。
74lS373鎖存器，鎖存CPU每次更新的數據，OE引腳接138芯片的片選信號，LE 下降沿時(shí)數據鎖存。
V/I轉換電路
V/I轉換電路如圖4所示，它將A/D轉換后得到的電壓信號，轉換成4-20mA  III型信號輸出。I=V/R3。
RS-485通訊電路
通訊芯片選用MAX485芯片，將收允許和發(fā)允許接在一起(見(jiàn)圖5)，用一個(gè)口線(xiàn)進(jìn)行控制，正常情況下，收允許，在需要發(fā)送的時(shí)候，設為發(fā)允許。

圖6  軟件流程

軟件設計
軟件設計是本系統的關(guān)鍵，也是與眾不同的地方。一般的鉑電阻轉III型信號的模塊都是采用模擬電路，沒(méi)有軟件部分。本系統采用數字化線(xiàn)性校正將大大提高模塊的精度。軟件流程見(jiàn)圖6。軟件分主程序，中斷服務(wù)子程序，所有程序均由C語(yǔ)言編寫(xiě)。程序在ICCAVR6.30調試。

結語(yǔ)
基于單片機的PT100－III型信號轉換模塊具有精度高、可數字通訊、可升級等優(yōu)點(diǎn)。本模塊已經(jīng)用于多個(gè)火力發(fā)電廠(chǎng)煙氣溫度檢測，其中采用III型信號和數字通訊的都有，均取得了良好的效果。