摘 要： 針對工業(yè)領(lǐng)域中溫度傳感器需要標(biāo)定的問題，設(shè)計(jì)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(jìn)行標(biāo)定和特性分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括以STC89C52單片機(jī)為核心的硬件電路和在PC機(jī)上運(yùn)行的軟件程序。介紹了標(biāo)定和分析的方法、硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在0 ℃～100 ℃范圍內(nèi)標(biāo)定和分析多種溫度傳感器采集的溫度值。用該標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定過的溫度傳感器的各項(xiàng)誤差均在應(yīng)用允許范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞： 鉑電阻； 溫度傳感器； 傳感器標(biāo)定
傳感器在使用前或使用一段時間后是需要標(biāo)定的。為了迅速完成大量傳感器的標(biāo)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(biāo)定與特性分析上，得到了滿意的結(jié)果。
1 標(biāo)定和特性分析的方法
1.1 標(biāo)定方法
標(biāo)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(yīng)的由標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的量值之間關(guān)系的一組操作。在本系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的量值是標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器所顯示的數(shù)值，它準(zhǔn)確且穩(wěn)定地指示當(dāng)前溫度；測量儀器或測量裝置所指示的量值是由各個被標(biāo)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(jìn)行描述與分析。
對于熱阻效應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)溫度，待分析傳感器的相應(yīng)電量是由各個溫度傳感器對應(yīng)的處理電路進(jìn)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(jī)、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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形化顯示，單片機(jī)與PC機(jī)通過RS-232實(shí)現(xiàn)主從式通信。
2．1 硬件系統(tǒng)的組成及實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)，它是本系統(tǒng)的核心，因此單片機(jī)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)：(1)它是MCS-51系列單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)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(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)，在系統(tǒng)/在應(yīng)用可編程(ISP，IAP)，不占用戶資源。本系統(tǒng)利用了STC89C52單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)溫度測量模塊
標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shè)置增益為1～128；采用Σ-Δ的模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)制，實(shí)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(shè)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(fù)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(yīng)用時有兩點(diǎn)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(zhǔn)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(shè)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(biāo)定溫度傳感器信號采集與處理模塊
?、俜糯箅娐?br />
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(jìn)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(yùn)算放大器。它的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了微弱信號的高倍放大和濾波處理。
?、诙嗦纺M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(shè)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(dá)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(zhǔn)電壓為4.096 V，也可以外接基準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)于鉑電阻和NTC熱敏電阻的A/D轉(zhuǎn)換電路基準(zhǔn)電壓也應(yīng)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(zhǔn)確地將該電動勢轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,對應(yīng)于它們的A/D轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)電壓應(yīng)該是準(zhǔn)確且穩(wěn)定的，本系統(tǒng)中采用的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為4.096 V。
(4) RS-232串口通信模塊
硬件電路和PC機(jī)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(biāo)定和分析的傳感器；設(shè)置溫度范圍；選擇要查看的對象；同時為了使系統(tǒng)更實(shí)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(jī)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(dāng)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(jī)端口，而且它的中斷機(jī)制保證了系統(tǒng)的及時響應(yīng)。
液晶顯示部分的功能：顯示測量溫度值；輸出標(biāo)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(diǎn)漢字庫和128個16×8點(diǎn)ASCII字符集的圖形點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)光標(biāo)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(shí)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(jī)有機(jī)地聯(lián)系起來。由圖2可見，硬件部分可以脫離PC機(jī)單獨(dú)使用，即支持現(xiàn)場操作。系統(tǒng)采樣周期為1s，由Timer1定時實(shí)現(xiàn)。為了能夠保證各個溫度傳感器的響應(yīng)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(jī)上的軟件程序?qū)崿F(xiàn):選擇被標(biāo)定傳感器、設(shè)置標(biāo)定溫度、查看標(biāo)定的數(shù)據(jù)、采集溫度值等功能。
PC機(jī)上運(yùn)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(shí)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(biāo)定、特性分析的結(jié)果; (3)設(shè)置通信端口，選擇工作模式，選擇被標(biāo)定和分析的溫度傳感器，設(shè)置溫度范圍，實(shí)時指示工作狀態(tài);(4)對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)。Visual Basic語言在界面開發(fā)和串口通信方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢，它具有面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想、事件觸發(fā)程序執(zhí)行的機(jī)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(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定[3]。
系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了在標(biāo)定模式下顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度模塊和待標(biāo)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(yīng)的數(shù)據(jù)列表。
3 系統(tǒng)的誤差測量與分析
3.1 標(biāo)準(zhǔn)溫度模塊的測量誤差
本系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)? ℃～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(shí)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(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
標(biāo)準(zhǔn)溫度測量模塊在35 ℃～40 ℃范圍內(nèi)測試結(jié)果如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)誤差：
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可見在35 ℃～40 ℃范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度測量誤差為±0.026 ℃。
通過在整個應(yīng)用溫度范圍0 ℃～100 ℃內(nèi)測量、計(jì)算，得到標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定溫度傳感器模塊的系統(tǒng)誤差
在具體測試中，應(yīng)將待標(biāo)定溫度傳感器的數(shù)值減去其系統(tǒng)誤差，然后和標(biāo)準(zhǔn)溫度模塊的測量結(jié)果進(jìn)行比較，得出標(biāo)定結(jié)果。待標(biāo)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(biāo)定標(biāo)稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻為例進(jìn)行測量。隨機(jī)抽取3個標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻進(jìn)行測試，取平均值作為測量結(jié)果。因?yàn)檫x取的是標(biāo)準(zhǔn)的NTC熱敏電阻，所以此時顯示溫度和實(shí)際溫度的差值取平均就是待標(biāo)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 ℃?？梢姡?0 ℃標(biāo)定標(biāo)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(yīng)用溫度范圍0 ℃～100 ℃內(nèi)以0.5 ℃為間隔逐點(diǎn)測量，最后采取折中處理，確定在室溫下，標(biāo)稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻標(biāo)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(jì)算NTC熱敏電阻標(biāo)定模塊的。標(biāo)定誤差計(jì)算如下：
可見，在50 ℃標(biāo)定標(biāo)稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻的標(biāo)定誤差為±0.33 ℃。
通過在整個應(yīng)用溫度范圍0 ℃～100 ℃內(nèi)以0.5 ℃為間隔逐點(diǎn)測量、計(jì)算，選取最大的標(biāo)準(zhǔn)誤差作為標(biāo)定誤差。最后確定在室溫下，標(biāo)稱電阻值為2 kΩ的NTC熱敏電阻的標(biāo)定誤差為±0.5 ℃。
系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)溫度測量范圍在0 ℃～100 ℃,精度為±0.05 ℃；鉑電阻標(biāo)定誤差為±0.1 ℃；熱電偶標(biāo)定誤差為±0.5 ℃；NTC熱敏電阻標(biāo)定誤差為±0.5 ℃；熱電堆紅外傳感器標(biāo)定誤差為±1 ℃。經(jīng)過PCB設(shè)計(jì)[4]、軟硬件聯(lián)合調(diào)試以后，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，標(biāo)定和分析結(jié)果可信。在對實(shí)驗(yàn)室所用的溫度傳感器進(jìn)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(lǐng)域溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與維護(hù)的輔助工具。