一种新型低成本高精度热电阻测温模块的研制

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Research and development of a new low cost andlIigh precise thermal resistance temperature measurement moduleLi Cong Dai Houzhao Zhang Yaning Huang Mingjian(School of Electrical Engineering，Jinan University，Jinan 250022，China)Abstract：This module uses STM8S MCU，collects signal by the way of constant pressure intermediate partial pres-sure，adopts low cut-of equency RC filter，adopts AD620 instrumentation amplifier as preamplifier，and D/Aconversion is carried out with double integration TLC7 1 35.And the data is obtained by using its BUSY pin and thePWM measurement function of the MCU advanced timer.The module has temperature compensation for connectingwire，and contains calibration circuit for zero and full scale.Using floating point operation for the actual circuit pa-rameter，approximate temperature value with linear equation is obtained.Finally，the accurate operation is carriedout by using NewtonS method.The module realizes 8 channel differential inputs，can use CuS0/Cul00/Ptl00/Ptl000 resistance type to measure the temperature，and has break judgment，address detection function.The meas-urement range is -200～ 550C.The experiment shows that the precision can reach 4-0.1% FSR.and the sta-bility is excelent。

Keywords：high precision； platinum resistance； temperature measurement module； STM MCU； TLC7 135；Newtons method1 引 与上位机相连，实现FCS控制系统。目前市场上多通道(4～8路)、差分输入及高精度的热电阻测热电阻拈应用十分广泛，在如在冰箱检测 温拈种类较多 ，各有特点，为保证精度，通线，建筑材料的保温性能的检测，建筑外门窗保温 常用三线制和四线制。这种拈-方面降低热电性能检测以及工业生产过程温度检测等。它的特 阻的输入路数；另-方面增加附加导线的成本。基点是测温点多，安装方便，可采用普通导线、总线 于此，研制了-种新型的低成本、高精度的热电阻温度测量拈，目的就是最大限度降低成本，增加收稿日期：2012-ll Received Date：2012.11电 子 测 量 与 仪 器 学 报 第27卷拈路数，采用两线制，利用环境温度检测来补偿导线及环境温度引起的铂电阻连接导线的误差，实现高精度测温，保证其可靠性和稳定性 引。并通过实践得以证明。

2 整体方案设计测温拈原理框图如图1所示，主要由电源、信号转换、多路开关、放大器、A/D转换器、单片机、通信等单元构成。工作原理：信号转换部分将8路传感器的电阻值转换成 mV信号，经过前置滤波后送至多路开关。单片机控制多路开关分时接通8路信号输出至仪表放大器，放大后的信号经A/D转换由单片机获取并进行数据处理及标度变换，求得各路传感器的准确温度，储存在数据区等待上位机通信读取；拈与上位机采用于MODB。

US协议，包括RTU和ASCI 2种模式。上位机通过发送命令来设置拈工作参数、读取数据。该模块带有断线报警功能。故障时，拈会向上位机发送警告代码，同时报警灯闪烁。拈采用防干扰隔离设计，线导线可进行初次整定 智能补偿，响应时间小于 1.5s/点。

8路差分输入电路零点满量程校准f l存储器电路DC.DCST藏翮 圃 图 l 测温拈原理Fig.1 Schematic diagram oftemperature measurement module3 硬件电路设计电源输入和通信输出端3.1 电源部分拈供电采用 DC-DC隔离拈，宽电压(DC8～40 V)输入，输出±9 V，经稳压转换 ±5 V供模拟电路及单片机数字电路使用，通信电源用MC33063降压与拈输入电源共地。

3.2 信号转换与滤波单元常用的求电阻值的电路为平衡电桥，但本模块使用多种传感器，电桥外围电阻参数不好确定，故采用电阻分压方法得到热电阻两端的电压 J，此法兼有断线检测的功能。为实现差分输入，该模块采用如图2所示的恒压中间分压差分输入方式。

[] ----[] ----图2 恒压中间分压差分输入Fig.2 Scheme of constant pressure intermediatepartial pressure differential input图中的 用 1.25 V基准，要求输出十分稳定的稳定，电阻尺 、尺 取 10 kit、l kit，使得测量信号为mV级别；同时，把热电阻的激励电流控制在0.125 mA以内。假设热电阻测量阻值 100 Q，则其耗散功率最大，2尺0.001 562 5 mw。若热电阻零摄氏度时的自热系数为0.4 K/roW，此时引起0.00l 562 5×0.40.001 95oC 温度变化，不会对测量造成影响。如果要求更高的精度，则可以在软件上进行计算补偿。好的滤波电路对精度影响很大。本拈在反复实践基础上 ，设计了本滤波电路。滤波单元如图3所示，C 、C 、c 构成差分滤波，降低输人交流阻抗。R 与C2、 ，与C，构成低通滤波，参数可根据实际情况计算选择，这样有效地抑制中高频干扰。尺 用于断线检测电路。

图3 信号滤波电路Fig.3 Signal filter circuit- -第6期 -种新型低成本高精度热电阻测温拈的研制3.3 多路切换电路为实现8路差分输入、零点、满量程标定以及内外环境温度补偿温度的多路检测，该拈采用2个74HC405 1和-个74HC4052组成，结构原理如图4所示。

图4 多路切换电路Fig.4 Multi-channel switching circuit单片机分时对74HC4052和74HC405 1进行控制，则可实现l2路的控制。74HC4051是-款性能价格比较高的模拟多路开关。它的导通电阻根据电源电压的不同而有所不同，对于该阻抗该拈有较大的信号源导通电阻影响几乎可以忽略不计。

关断电阻可达GQ级别，最大漏电流仅几微安。对于该电路应用，可认为其可靠关断。导通和关断时间均为ns级别，对各路切换时间影响较校3.4 信号放大单元热电阻两端产生的电压信号十分微弱，必须对其进行前置放大。电路噪声是难免的，现场干扰源很多，所以要用差动放大。该拈采用 AD620。

AD620是-款 Analog Device公司生产的高性能仪表放大器。内部集成有经过激光校准的精密电阻，增益从 1～10 000可调，仅由外部的-个电阻确定。因为本拈可支持多种传感器，为了确保精度和可靠性，在不同传感器电压相差大的情况下应使用不同的增益。用跳线选择，该拈采用两种放大倍数。AD620的增益与内部电阻和外部电阻有关，内部电阻是经过激光校准的高精密电阻，其精度远远优于0.1，在此不考虑它的误差。内部电阻为固定的24.7 kQ。

AD620的增益计算公式为：G： 增益n G 1- 1电阻的计算公式为：R。： 。

tr - 1AD公司在其 AD620的数据手册中列出了标准电阻对应的增益表，根据官方提供的参考增益电阻对照表，我们选取增益电阻分别为499 Q和5.49 kfl。

3.5 A/D转换电路A/D转换是决定产品测量精度的关键环节。

不同的转换方式在速度、精度、成本方面各有利弊。应用较为成熟的 A/D转换方式有：逐次逼近型(SAR)ADC、积分型 ADC、过采样(∑-△)ADC。

温度信号的变化较为缓慢。因此，选用双积分型ADC非常适合。此拈选用的德州仪器公司生产的TLC7135。它在片上同时集成了性能优异的模拟和数字电路。其有效精度为四位半，换算成二进制位为 l4.5位，有效时钟计数为 19999。工作方式为双积分。该芯片有A/D转换后数据输出管脚。

为提高精度及节省单片机接 口，设计 中使用TLC7135的BUSY信号读取转换结果 J。这种方仅占用单片机的3个I/O管脚。

当7135的RUN管脚高电平时，7135开始对输入的差分信号进行采集。首先，内部电路开始进行回零操作，包括放掉积分电路上面残存的电荷。

当积分器输出为零时，7135开始对输入进行积分，判断输入信号的极性。当IN大于IN-时，信号被判为正极性，POLARITY管脚输出高电平；反之，当输入信号为负极性时，POLARITY管脚输出低电平。单片机可以据此判断极性。与此同时，BUSY管脚跳变为高电平。内部电路根据输入极性开始积分。积分固定时间为 10 001个时钟周期，因此输入信号若超出测量范围则会导致积分器饱和。在积分结束后，内部电路使用负的基准电压对积分器进行反积分。当积分器输出为零时，BUSY管脚跳变为低电平，积分结束。而后，电路通过-系列的清零操作为下次测量做准备。

由此可知，BUSY管脚的信号占空比与被测信号的幅值成正相关。被测信号幅值越大，去积分的时间越长，BUSY管脚维持高电平的时间越长；反之，BUSY管脚的占空比越低。BUSY管脚的固定高电平宽度为 10 001个时钟周期，最长宽度为电 子 测 量 与 仪 器 学 报 第 27卷40 002个时钟周期。有源积分器使得积分为-条直线。所以，理想条件下的脉宽长度与被测电压成线性关系。该拈用 ST单片机显著特点的高级定时器的脉冲捕获功能获取脉冲宽度，因为捕获脉冲的计数脉冲频率很高，所以这种方式精度上较常规的定时中断精度更高。

3.6 单片机控制电路单片机选用 STM8S207K，这是意法半导体公司的STM8S系列中的-款高性能工业级单片机，拥有 TIM1、TIM2、T1M3和 TIM4 4个定时器，UART1和UART2 2个串行口收发控制器，它的时钟频率可以达到 24 M，最高指令执行速度为20 MIPS∠普通单片机列快很多，且有几款片内集成了硬件乘除法器，可实现快速的浮点运算。

FLASH可达到 128 K，并集成了E PROM、ADC、定时器、UART、SPI、12C等多种外设。具有低成本、高性能、高可靠性的特点。

3.7 通信单元本拈支持从 2 400～1 15 200Bd/s的所有波特率。地址从01-255，地址00为广播地址。采用夏普公司的高速光耦PC410进行光电隔离。拈对外的发送和接收电路采用了-片差分收发器SN65LBC184。本拈使用自恢复保险丝和瞬态抑制二极管P6KE24CA进行雷电防护。

4 软件设计方案硬件的可靠性可通过合理设计电路、选用高性能的器件和提高 PCB布板质量来实现。而要保证软件的可靠性，就必须在编写程序时旧能地考虑到产品所能遇到的各种情况，包括器件故障、用户误操作等。为提高最终产品的工作效率，本设计的程序没有使用延时函数，取而代之的是大量的中断和子程序的嵌套。单片机时刻都在执行有效的指令，效率堪比嵌入式。主程序包括拈硬件初始化、工作状态设置、硬件自检、数据采集、数据处理、故障报警等流程。软件初始化是将单片机各种外设设置为需要的工作状态。首先是初始化需要用到的I/O管脚，根据电路的设计，相应设置为上拉或下拉。然后设置定时器，选用通信设置为半双工模式，默认波特率为9 600 Bd/s。设置定时器 1为PWM测量模式，定时器2控制通信的发送接收和故障处理。

4.1 A/D采集程序由于积分式AD转换速度较慢，在250 kHz时钟频率下每秒仅可转换 6.25次。因此，必须采用中断方式进行数据采集。当进入采集中断后，单片机关闭A/D，读取定时器数据并存储。随即A/D被打开，退出中断。该拈实际应用过程中，-般都是多个拈并联-起使用。各拈反复被上位机呼叫，我们采用这种中断方式，A/D采集速度几乎不改变，且不需要占用单片机资源。

4.2 导线补偿算法恒压中间分压差分输人电路3.2节的图2所示，铂电阻 的两端分别通过两导线r 、r (r r，r)连接到-差动运放的正向输入端和反向输入端，正向输入端还通过分压电阻 R 连接电源，反向输入端通过分压电阻 接地。尺 为铂电阻。

由运算放大器输人电压：V 可知：采用两线制测温引起的误差跟连接导线的电阻r有关，所以要进行补偿。

补偿方法：在使用拈前用上位机软件进行校准，将连接铂电阻的导线的 1、2端短接，或者在实验室里找到材料相同，等长度，等截面的导线连接。校准时拈首先将此刻的环境温度 T测定好，然后测得由导线引起的电压 ，利用公式：2，： 很容易求出该温度下的导线电- y r阻值；再利用公式：rr 。[1 (T-20)](式中为电阻率温度系数，金属基本相同)求出在20的r 。显然，以后只要知道此刻的环境温度即可求出此刻导线的电阻。这样完全消除导线及环境温度变化造成的测量误差。

4.3 温度值计算铂电阻和铜电阻是比较常用的测温器件，根据测量到的电阻值，再推算出温度值。方法很多，我们采用线性近似计算后再由牛顿迭代来求精度温度值口J，实验表明牛顿迭代最多2次即可达到精度。运行时间不到 100 ms。牛顿迭代法的介绍如下：按照标准ZB Y301-85(T业铂热电阻技术条件及分度表》[8 3提供的公式，对于0～850(2的温第 6期 -种新型低成本高精度热电阻测温拈的研制 ·583·箱。目前我们实验室不具备此条件。为验证精度，我们在实验室里采用高精度电阻箱和0.05%精密电阻进行 12 h实验测试，最大绝对误差0.Ol，且出现几率很校表 2 通道数据Table 2 Channel data6 结 论本产品以工业应用所注重的高精度和高可靠性为设计目标，硬件和软件设计每个细节都考虑了精度问题，包括器件的选择等 引。拈实验数据以 Ptl00为例。实际拈支持 4种热电阻，Ptl00、Ptl000、Cu50、Cul00。根据传感器的种类和精度等级的不同，测温范围是 -200～550℃。模块具有自校准功能，同时通过上位机可以随时校准。设计上考虑和预测了现场应用中遇到的器件老化、雷击、误操作、传感器故障、通信错误等可能出现的题。该拈测试数据是在实验室完成，实践中可能还需要结合实际情况进-步完善。