基于铂电阻的数字温度测量系统设计[图]
在某企业开发的加工控制系统中， 温度范围是-100℃～600℃，测量误差小于1％。针对本系统所需的温度测量要求，选用了精度高的铂电阻作为温度传感器，模数转换使用msp430f149内部的12位分辨率的adc模块。温度测量系统具有低功耗、结构简单，使用方便，可以扩展成多路温度测量等优点。
1 硬件设计
根据测试系统所要求的测量范围，选用的传感器为铂电阻pt100，pt100的测量范围是－200到850，从pt100的分度表可以计算出线性度为，无法达到测量精度的要求，所以需要一个线性补偿的信号调理电路，线性补偿电路通过采用xtr105芯片，通过温度测量范围匹配电阻，从而达到设计要求。ad转换用msp430f149单片机内部12位分辨率的adc。lcd是2行×16列的字符型液晶显示器。系统的电路框图如图1所示。
1.1 msp430单片机
msp430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带flash的单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64k，还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个12位的模数转换器、一个看门狗、6路i/o端口、两路usart通信端口、一个比较器、一个dco内部振荡器和两个外部时钟，支持8m的时钟。对于flash型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有jtag调试接口，还有可电擦写的flash存储器，因此采用先通过jtag接口下载程序到flash内，再由jtag接口控制程序运行、读取片内cpu状态，以及存储器内容信息供设计者调试，整个开发都可以在同一个软件集成环境中进行。这种方式只需要一台pc机和一个jtag调试器，而不需要专用仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和c语言。
1.2 pt100温度传感器
温度是表征物体冷热程度的物理量，它可以通过物体随温度变化的某些特性(如电阻、电压变化等特性)来间接测量，金属铂(pt)的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100ω，电阻变化率为0.3851ω/℃。铂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(-200～650℃)最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。pt100的温度/电阻曲线如图2所示。
按iec751国际标准，温度系数tcr=o.003851，pt100(r0=100ω)、pt1000(r0=1000ω)为统一设计型铂电阻。tcr=(r100一r0)/(r0×100)。pt100与pt1000的标准阻值如表1所示。
温度/电阻特性公式如下：
-200<0℃ rt=r0[1+at+bt2+c(t-100)t3]
0<850℃ rt=r0(1+at+bt2]
其中rt在t℃时的电阻值，r0在0℃时的电阻值
1.3 信号调理电路设计
由于铂电阻的温度电阻特性具有线性度不好，在进行线性补偿时选用xtr105，铂电阻线性补偿电路如图3所示。各个电阻的计算公式如下。
其中,rz=rtd最小测量温度，
rl选用时注意msp430单片机adc的参考电压，adc的参考电压设置为外部电源电压3.3v，采用150的低温漂高精度电阻，rl的电压范围在0.6v到3v之间，rl可直接接msp430的模拟信号输入端进行模数转换。线性补偿电路设计中的电阻按照xtr105手册提供的计算方法来确定，其中rz为pt100在-100℃时的电阻(60ω)，r2为600摄氏度时的电阻(314ω)，r1=rtd resistance at(-100+600)/2=194ω，经过公式计算，rg=581ω，rlin1=4.3kω。z
2 软件设计
在程序设计中使用c语言编程，使用c语言设计将会带来一下几点好处：1：可以大大提高软件开发的工作效率；2：可以提高所设计的程序代码的可靠性、可读性、可移植性；3：设计者可以更多地集中在充分发挥msp430的功能上。msp430可以进行多个模拟通道的adc模数转换，进行adc模块设置时需要设置通道、参考电压等相关寄存器，由于adc转换的数值是2进制的，转换值送lcd显示前要使转换值变换成ascii型数据，程序流程如图3所示。
3 测试结果
完成硬件与软件的设计后，进行系统联试。首先测试adc的功能模块，测试的方法采用高精度的可变电阻器替代铂电阻pt100的阻值，根据铂电阻pt100分度表调节对应温度的可变电阻的阻值，从-100℃到600℃区间取15个点，每50℃测试一次，记录ad转换值。温度和转换值进行最小二乘法线性拟合，计算出线性度等测量系统的指标。线性度计算结果为小于1％，测量数据如下：
ad转换功能调试结束后，对ad转换值进行数据处理，使测量值准确地显示在lcd上。
4 结论
测试结果表明，此温度测量系统通过设计合理的信号调理电路，达到了一定的精度要求，并且具有稳定可靠的性能，设计结构简单，功耗低等优点。
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1.1 msp430单片机
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1.2 pt100温度传感器
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温度/电阻特性公式如下：
-200<0℃ rt=r0[1+at+bt2+c(t-100)t3]
0<850℃ rt=r0(1+at+bt2]
其中rt在t℃时的电阻值，r0在0℃时的电阻值
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其中,rz=rtd最小测量温度，
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