一种高精度温度采集系统的设计

　第21卷第4期　　　　　　佛山科学技术学院学报(自然科学版)　

　2003年12月　JournalofFoshanUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.21No.4Dec.2003

文章编号:1008-0171(2003)04-0035-03

一种高精度温度采集系统的设计

张　利,戴全平,蔡定国

(顺德特种电气有限公司,广东佛山528300)

摘要:介绍了一种高精度温度采集系统的结构及工作原理。该系统利用具有一定频率的正弦电压信号驱动特定的温度传感器PT100,通过中央控制单元采集温度数据,并进行DFT运算,求出频率的基波幅值。对基波幅值进行插值校正、滤波处理后,获得实际温度值。该系统方法的结构简单,抗干扰能力强,具有很好的应用价值。关键词:温度采集;插值校正;DFT

中图分类号:TH811　　文献标识码:A

在工控产品中,温度是一个重要的监控量。在需要精确测量温度的应用中,一般使用PT100作为温度传感器。测量电阻值的方法是用恒流源或PT100电阻值和温度是函数关系,可由电阻值算出温度值。

恒压源驱动PT100,把电阻值变为电压值,通过ADC采集电压值,即可算出电阻值,进而计算出温度值。由于PT100的电阻值和温度不是线性关系,需要通过硬件或软件校正。本文介绍的采集方法中,用含有单一正弦波成分的恒压源驱动PT100,由ADC采集到的数据中的单一正弦波(频率同驱动正弦波的频率)包含电阻值的信息,通过DFT处理和软件校正,最后算出温度值。

1　系统结构

　　配电变压器智能终端(TTU)一个重要功能是温度测量,

要求高抗干扰性能和测量精度。本文介绍的温度采集方法可

以满足要求,并可以减轻复杂的电路设计和过高的成本。温度

采集部分结构示意图如图1所示。

该系统主要由LCD显示屏、键盘、继电器输出、通讯模块

和其他功能模块。LCD显示屏用来显示包括温度在内的各个

电参数、历史数据记录,以及各个功能模块的状态。键盘用来

设置系统参数、温度校正、风机开关温度阈值、线圈温度报警

阈值等。继电器输出用于控制报警装置、风机开关等。

通讯模图1　温度采集结构示意图块负责和PC机通信。

系统中ADuC812是AD公司推出的高度集成的高精度12位数据采集系统。该芯片内核与8052兼容,单个芯片内包含8通道12位自校准ADC,两个12位电压输出DAC,片内40ppm/℃电压基准,片内温度传感器,高速ADC至RAM捕获DMA控制器,I2C和SPI串行I/O口,看门狗定时器和电源监视器,640字节Flash数据存储器,片内充电泵,16M字节外部数据地址空间。

2　系统工作原理收稿日期:2003-05-26

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36佛山科学技术学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第21卷　　单片机ADuC812是整个电路的核心。ADuC812通过内置DAC输出一正弦波,由运放A放大后驱动R1,R2,R3和PT100组成采样电桥,采样电桥的输出信号由运放B放大后,输出到ADuC812内置的ADC端口,并由ADC完成数据采集。这一过程实现温度信号的采集。

采集到的数据波形与DAC输出的波形相似,都是正弦波,但幅值不同。对于一个确定的温度采集电路,DAC输出幅值不变,运放A放大倍数不变,即采样电桥的激励信号不变,影响采集到的数据幅值变化的只有温度传感器PT100的阻值。

由于采集到的数据波形为正弦波,可以使用DFT方法处理,算出基波的幅值,且只有基波的幅值与温度相对应。基波幅值与实际温度之间的对应关系预先存放在ADuC812芯片里,通过查表和插值运算,即可得出实际温度值。

由采样定理知道,一个正弦波至少需要抽样两次。DAC输出的正弦波由32个抽样点模拟生成,即对于一个周期为T的正弦波,每隔T/32取一个抽样点。函数如下

0),f(i)=A0+Asin(iN+U(1)

式中,i为序号,A0为直流电压,A为正弦波幅值,N为量化点数,U0为初始相位。DAC输出波形中允许有直流电压,且对最终的温度结果没有影响。由于运放LM324使用单电源供电,只能放大电压大于0V的输入信号,对于电压小于0V的信号则不能正常工作。只要取A0>A,即保证DAC输出的信号都大于0V,运放LM324就能正常工作。

正弦波的周期要远小于PT100的反应时间,使测量结果及时跟上温度的变化。正弦波的频率选择在干扰能量小的频点处,比如,在工频干扰严重的场合测量温度,正弦波的频率可取30Hz,工频的基波及其谐波的能量分布在50Hz以上,对30Hz无干扰。

采样电桥由电阻R1,R2,R3和PT100组成,R1和PT100组成一个桥臂,R2和R3组成另一个桥臂。R1限制流过PT100的电流,防止电流太大,使PT100发热,温升过大,影响测量精度。理论上流过PT100的电流越小,PT100的自热越小,测量精度越高,但实际应用时,由于存在干扰,流过PT100的电流越小,抗干扰能力越差,综合考虑,一般取最大电流小于1mA即可。

R2和R3为PT100测量温度提供参考温度点,且电阻R1=R2。PT100的电阻与温度关系公式如下

Rt=(3.9083×10-3×T-5.775×10-7×T2+1)×100,(2)

　　式中,Rt为PT100铂电阻的电阻值,单位是8;T为PT100的温度,单位为℃。

PT100在0℃时电阻值是1008,在200℃时电阻值是175.8568。若R3取1008,当PT100温度大于100℃,图1中的运放B输出电压大于0V,ADuC812的ADC可以直接采样,所以,R3阻值对应的温度应该小于最低测量温度,以保证运放B输出正向电压。

ADuC812每采集到正弦波的一个周期数据就可算出PT100的温度。采集到的正弦波的基波交流幅值代表PT100的温度,对采集到的数据F(i)进行DFT处理,就可 …… 此处隐藏：2410字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……