摘 要： 針對工業(yè)領域中溫度傳感器需要標定的問題，設計了一種可以同時對多路溫度傳感器" title="多路溫度傳感器">多路溫度傳感器" title="多路溫度傳感器">多路溫度傳感器進行標定和特性分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括以STC89C52單片機為核心的硬件電路和在PC機上運行的軟件程序。介紹了標定和分析的方法、硬件電路和軟件設計。本系統(tǒng)實現(xiàn)了在0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)標定和分析多種溫度傳感器采集的溫度值。用該標定系統(tǒng)標定過的溫度傳感器的各項誤差均在應用允許范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞： 鉑電阻； 溫度傳感器； 傳感器標定
傳感器在使用前或使用一段時間后是需要標定的。為了迅速完成大量傳感器的標定與特性分析工作，本文開發(fā)了一套STC89C52-PC系統(tǒng)，用在溫度傳感器的標定與特性分析上，得到了滿意的結(jié)果。
1 標定和特性分析的方法
1.1 標定方法
標定是指：在規(guī)定的條件下，為確定測量儀器或測量裝置所指示的量值，與對應的由標準所復現(xiàn)的量值之間關(guān)系的一組操作。在本系統(tǒng)中，標準所復現(xiàn)的量值是標準溫度傳感器所顯示的數(shù)值，它準確且穩(wěn)定地指示當前溫度；測量儀器或測量裝置所指示的量值是由各個被標定的溫度傳感器所采集的信號經(jīng)過處理后所顯示的數(shù)值。
1.2 特性分析方法
特性分析是指對溫度傳感器所測溫度與電壓、電阻量之間的關(guān)系曲線進行描述與分析。
對于熱阻效應的傳感器，溫度特性是指阻值與溫度的關(guān)系；對于熱電效應的傳感器，溫度特性是電動勢與溫度的關(guān)系。在本系統(tǒng)中，溫度值是標準溫度，待分析傳感器的相應電量是由各個溫度傳感器對應的處理電路進行放大、采樣、A/D轉(zhuǎn)換得到。通過數(shù)據(jù)處理和分析，得到不同的溫度與電量之間的特性曲線，分析其線性度，就可以知道溫度傳感器的性能好壞。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)是一個軟硬件融合的產(chǎn)品，由單片機、外圍電路和溫度傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與處理部分，由PC機進行數(shù)據(jù)處理和圖形化顯示，單片機與PC機通過RS-232實現(xiàn)主從式通信。
2．1 硬件系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)
2.1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.1.2 硬件系統(tǒng)各部分說明
(1) 數(shù)據(jù)處理模塊
系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集及處理由STC89C52單片機實現(xiàn)，它是本系統(tǒng)的核心，因此單片機型號的選擇很重要，它關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定、功耗、可操作性等各個方面。STC89C52單片機的優(yōu)點：(1)它是MCS-51系列單片機的派生產(chǎn)品，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準8052單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051兼容均為Pin-to-Pin，使用時容易掌握；(2)高速(最高時鐘頻率90 MHz)、低功耗、價格低、穩(wěn)定可靠、應用廣泛、通用性強，在系統(tǒng)/在應用可編程(ISP，IAP)，不占用戶資源。本系統(tǒng)利用了STC89C52單片機的1個中斷，2個定時器以及P0～P3 4個端口。采用外部11.059 2 MHz晶振，并使用30 pF的電容接地，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
(2) 標準溫度測量模塊
標準溫度測量模塊由Pt100和精密電阻組成的四臂電橋以及AD7705組成。Pt100是線性度非常高的溫度傳感器，穩(wěn)定性好，靈敏度系數(shù)為3 850 ppm/℃，配合高增益放大電路可以實現(xiàn)高靈敏度。為了消除布線電阻對測量誤差的影響，Pt100采用三線制接線方法[1]。使用精度為1‰的精密電阻可以減小前端電橋引入的誤差。AD7705是Analog Device公司出品的適用于低頻測量儀器的低功耗A/D轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部集成了儀表放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能將傳感器的微弱信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出；片內(nèi)可編程放大器可設置增益為1～128；采用Σ-Δ的模數(shù)轉(zhuǎn)換機制，實現(xiàn)16位無誤碼的A/D轉(zhuǎn)換；通過片內(nèi)控制寄存器可設置數(shù)字濾波器的第一個凹口，能夠有效濾除工頻噪聲。由于采用了AD7705 A/D轉(zhuǎn)換器，有效地使系統(tǒng)成本降低、體積縮小、復雜性減小。
采用AD7705完成信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換非常方便，但在應用時有兩點需要注意： (1)鉑電阻電橋的驅(qū)動電壓是系統(tǒng)電壓VCC，所以輸出信號與VCC成正比。為了消除電源電壓波動引起的誤差，AD7705宜采用與VCC成比例的外接基準電壓,本系統(tǒng)中采用VCC/2[2]；(2)前端電橋100 ℃時輸出為19 mV，AD7705的A/D轉(zhuǎn)換部分輸入為VCC/2=2.5 V時輸出才是全額輸出(對于16位A/D芯片來說，全額輸出是指輸出數(shù)字量為216-1=65 535）。為了使AD7705在100 ℃時全額輸出，選用增益為2.5 V/19 mV=131。因此,設置AD7705內(nèi)部可調(diào)增益為128，留有部分余量。該模塊測溫范圍在0 ℃～100 ℃，測溫精度為±0.05 ℃。
(3) 待標定溫度傳感器信號采集與處理模塊
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各路溫度傳感器信號在數(shù)字化之前，需經(jīng)過放大電路處理。放大電路有3個作用：對微弱信號進行放大；阻抗變換；有源濾波。
本系統(tǒng)選用的是AD623集成儀表運算放大器。它的特點在于只用1個外接電阻就可以獲得1～1 000的增益、高精度、高共模抑制比，偏置漂移典型值只有0.1 μV/℃。使用AD623作為前級放大器，提高了放大的精確度與穩(wěn)定度，實現(xiàn)了微弱信號的高倍放大和濾波處理。
②多路模擬輸入A/D轉(zhuǎn)換電路
為了盡量減小A/D轉(zhuǎn)換部分的誤差，本系統(tǒng)采用MAX186多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它是一個8通道12位高速超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，內(nèi)部有寬帶跟蹤/保持電路和串行接口;8路單端輸入或4路差動輸入可由軟件設定, 轉(zhuǎn)換結(jié)果由串行接口輸出。分辨率為12位,采樣速度達133 kHz，芯片可由單5 V或雙±5 V電源供電;其串行接口可與SPITM、QSPITM、WicrowireTM兼容;可采用內(nèi)部時鐘或外部時鐘完成A/D轉(zhuǎn)換;內(nèi)部基準電壓為4.096 V，也可以外接基準電壓;具有硬件關(guān)斷和2種軟件關(guān)斷模式。
鉑電阻和NTC熱敏電阻的信號轉(zhuǎn)換電路采用系統(tǒng)電壓作為驅(qū)動電壓，輸出電壓值應與系統(tǒng)電壓成比例。為了減小A/D轉(zhuǎn)換電路引入的誤差，對應于鉑電阻和NTC熱敏電阻的A/D轉(zhuǎn)換電路基準電壓也應與系統(tǒng)電壓成比例，本系統(tǒng)中采用VCC/2。
熱電偶和熱電堆紅外溫度傳感器的輸出信號是電動勢，無需信號轉(zhuǎn)換。為了更準確地將該電動勢轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,對應于它們的A/D轉(zhuǎn)換電路的基準電壓應該是準確且穩(wěn)定的，本系統(tǒng)中采用的內(nèi)部基準電壓為4.096 V。
(4) RS-232串口通信模塊
硬件電路和PC機之間采用RS-232串口通信技術(shù)，通信芯片采用MAX232。該芯片只需+5V供電，內(nèi)部集成電平轉(zhuǎn)換電路，外圍電路簡單，只需3根線就能完成半雙工通信，且傳輸可靠。STC89C52有專門的串口通信引腳RXD、TXD。本系統(tǒng)中采用的STC89C52的Timer2作為串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈拾l(fā)生器。
(5) 鍵盤與液晶顯示模塊
鍵盤功能：選擇被標定和分析的傳感器；設置溫度范圍；選擇要查看的對象；同時為了使系統(tǒng)更實用，還有主菜單、翻頁、退格、確定等按鈕。綜合這些要求，本系統(tǒng)采用4×4小鍵盤。驅(qū)動電路采用CH452芯片。該芯片與單片機采用串行四線制連接。DIG7～DIG0 引腳用于列掃描輸入，SEG7～SEG0 引腳都帶有內(nèi)部下拉電阻，用于行掃描輸入；當啟用鍵盤掃描功能后，DOUT引腳的功能由串行接口的數(shù)據(jù)輸入變?yōu)殒I盤中斷以及數(shù)據(jù)輸入。使用CH452芯片不僅節(jié)省了單片機端口，而且它的中斷機制保證了系統(tǒng)的及時響應。
液晶顯示部分的功能：顯示測量溫度值；輸出標定和分析的結(jié)果；顯示提示信息、報警信息。本系統(tǒng)采用12232f液晶顯示器。12232f是一種內(nèi)置8 192個16×16點漢字庫和128個16×8點ASCII字符集的圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器及128×32全點陣液晶顯示屏組成,含有2 MB ROM提供的8 192個漢字和16 KB ROM提供的128個字符,可完成圖形顯示,也可以顯示漢字。12232f液晶顯示器能識別18條指令，分別實現(xiàn)光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等多種功能。與微處理器的連接方式有并口和串口兩種。并口相對于串口雖然用了較多的I/O口，但是數(shù)據(jù)傳輸速度快得多。本系統(tǒng)采用并口連接方式來保證輸出結(jié)果的更新速度。
2．2 軟件系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)
2.2.1 軟件系統(tǒng)流程
軟件系統(tǒng)流程圖如圖2所示。該軟件系統(tǒng)通過握手信號將硬件電路與PC機有機地聯(lián)系起來。由圖2可見，硬件部分可以脫離PC機單獨使用，即支持現(xiàn)場操作。系統(tǒng)采樣周期為1s，由Timer1定時實現(xiàn)。為了能夠保證各個溫度傳感器的響應時間，還要控制熱源的升降溫速度。
2.2.2 軟件系統(tǒng)功能
單片機上的軟件程序?qū)崿F(xiàn):選擇被標定傳感器、設置標定溫度、查看標定的數(shù)據(jù)、采集溫度值等功能。
PC機上運行的軟件程序是為了獲得更加豐富且直觀的測量結(jié)果，實現(xiàn)如下功能：(1)通過串口與硬件電路通信，接收上傳的測量數(shù)據(jù)，下傳指令數(shù)據(jù);(2)圖形化顯示測溫、標定、特性分析的結(jié)果; (3)設置通信端口，選擇工作模式，選擇被標定和分析的溫度傳感器，設置溫度范圍，實時指示工作狀態(tài);(4)對數(shù)據(jù)進行軟件濾波，丟棄錯誤數(shù)據(jù)，保證通信穩(wěn)定可靠。
軟件采用Visual Basic語言實現(xiàn)。Visual Basic語言在界面開發(fā)和串口通信方面擁有獨特的優(yōu)勢，它具有面向?qū)ο蟮脑O計思想、事件觸發(fā)程序執(zhí)行的機制、MSComm通信控件，使編程快捷、方便，效率大大提高，也減少了因編程不當導致的系統(tǒng)不穩(wěn)定[3]。
系統(tǒng)最終實現(xiàn)了在標定模式下顯示標準溫度模塊和待標定溫度模塊采集的溫度曲線比較，在分析模式下顯示待分析傳感器的溫度特性曲線以及對應的數(shù)據(jù)列表。
3 系統(tǒng)的誤差測量與分析
3.1 標準溫度模塊的測量誤差
本系統(tǒng)中的標準溫度由AD7705輸出的數(shù)字量通過曲線擬合轉(zhuǎn)換為溫度值得到。為了盡量減小誤差，采用3次曲線擬合，因為0 ℃～100 ℃本身溫度范圍比較小，所以就將0 ℃～100 ℃作為一個溫度段，擬合成1條曲線。具體實現(xiàn)由1stOpt軟件完成。1stOpt在非線性擬合、參數(shù)估算等優(yōu)化領域處于領先地位。
標準溫度測量模塊在35 ℃～40 ℃范圍內(nèi)測試結(jié)果如表1所示。標準誤差：
參考文獻
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可見在35 ℃～40 ℃范圍內(nèi)標準溫度測量誤差為±0.026 ℃。
通過在整個應用溫度范圍0 ℃～100 ℃內(nèi)測量、計算，得到標準溫度測量模塊測溫范圍在0 ℃～100 ℃時的測溫誤差為±0.05 ℃。
3.2 待標定溫度傳感器模塊的系統(tǒng)誤差
在具體測試中，應將待標定溫度傳感器的數(shù)值減去其系統(tǒng)誤差，然后和標準溫度模塊的測量結(jié)果進行比較，得出標定結(jié)果。待標定溫度傳感器模塊的系統(tǒng)誤差主要來源于傳感器信號轉(zhuǎn)換電路的電阻誤差、放大電路的偏置漂移和A/D轉(zhuǎn)換的誤差。下面以在50 ℃標定標稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻為例進行測量。隨機抽取3個標準的標稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻進行測試，取平均值作為測量結(jié)果。因為選取的是標準的NTC熱敏電阻，所以此時顯示溫度和實際溫度的差值取平均就是待標定溫度傳感器模塊的系統(tǒng)誤差。測量10次，其結(jié)果如表2所示。
對表2中的絕對誤差取平均值得到+1.14 ℃。可見，在50 ℃標定標稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻的系統(tǒng)誤差為+1.14 ℃。
通過在整個應用溫度范圍0 ℃～100 ℃內(nèi)以0.5 ℃為間隔逐點測量，最后采取折中處理，確定在室溫下，標稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻標定模塊的系統(tǒng)誤差為+1.2 ℃。
顯示溫度減去系統(tǒng)誤差其結(jié)果如表3所示。用來計算NTC熱敏電阻標定模塊的。標定誤差計算如下：
可見，在50 ℃標定標稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻的標定誤差為±0.33 ℃。
通過在整個應用溫度范圍0 ℃～100 ℃內(nèi)以0.5 ℃為間隔逐點測量、計算，選取最大的標準誤差作為標定誤差。最后確定在室溫下，標稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻的標定誤差為±0.5 ℃。
系統(tǒng)標準溫度測量范圍在0 ℃～100 ℃,精度為±0.05 ℃；鉑電阻標定誤差為±0.1 ℃；熱電偶標定誤差為±0.5 ℃；NTC熱敏電阻標定誤差為±0.5 ℃；熱電堆紅外傳感器標定誤差為±1 ℃。經(jīng)過PCB設計[4]、軟硬件聯(lián)合調(diào)試以后，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，標定和分析結(jié)果可信。在對實驗室所用的溫度傳感器進行大量測試的過程中，未出現(xiàn)誤測現(xiàn)象。該系統(tǒng)支持現(xiàn)場操作，功能豐富，可以作為工業(yè)領域溫度測控系統(tǒng)設計與維護的輔助工具。