基于Pt100型铂热电阻的温度测量和控制系统

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温度是表征物体冷热程度的-个物理量，是生产生活中非常重要的参数，随着现代电子技术的发展，电动设备内部特定部位的温度是判断其是否完好的-项重要指标 。维持特定环境下温度稳定更是显得尤为关键。铂热电阻的物理 、化学性能稳定 ，复现性好 ，广泛用于 -200 qC～850℃范围内的温度测量。本文正是利用铂热电阻，结合调理电路以及-些数学算法，实现了特定环境下温度测量，并且能够在封闭环境下控制温度至设定值。

1 设计思路描述本文基于 MSP430G2553单片机设计，采用 Ptl00温度传感器，实现对0～100℃ 温度的测量；同时通过软件编程，对大功率电阻进行加热，实现温度控制。

图 1为系统原理框图，该设计分为测温和控温两部分。测温部分，通过恒流源将 Ptl00的电阻值转换为电压值，经过与标准电阻的电压值比较，用仪用运放将电压差值进行放大，得到可以采样识别的电压值送给 A/D；单片机采样后，把电压值换算成实际的温度值，用以显示。同时，根据设定的温度，单 片机输 出占空比可调的PWM波，对功率电阻进行加热，以控制温度。

经过反复调试、改进，可以实现对 Ptl00所处环境温度的测试并显示，精度可以达到 0.1 oC；同时可以通过键盘对温度进行设置，并配有时钟和温度报警设备。

在进行数据处理方面，采用串口RS-232通信将电压值、温度值直接传送至上位机，并根据需要用Matlab进行相应的数据分析和处理。

在程序控制方面，为了达到更稳定、更精准地显示和控制，本文采用了丰富的算法，包括滑窗均值滤波、PID模糊控制算法等。图2为程序控制流程图。

收稿 日期 ：2012-09作者简介：王超 (1990-)，男，在读本科生，主要从事嵌入式系统开发应用的研究。

图 1 系统原理框 图图 2 程 序 控 制 流 程 图2 硬件电路2.1 电源部分本系 统 带 有 4路 电 源 ：5.0 V，-5.0 V，3.3 V，l5 V，其中 3.3 V用作恒压源和芯片供电，5.0 V和 -5.0 V用来给运放供电，l5 V用来给大功率电阻加热 。

2.2 恒流源和信号放大部分如图3，Ptl00所用的恒流源是通过基准电压 精密电阻 运放这种方式获得的。恒流源采用改进型的Howland电路，具有所需电压基准和输出负载都接地的特点，要求 R R ，R ：R 。。

为了消除非线性误差 ，采用两路恒流源。为了使 A/D能采集到微弱的电压信号，采用仪表放大器对信号进行放大滤波得到-个相对稳定的放大电压模拟量。

放大倍数分析和计算如下：为了实现测温范围 0～100℃ ，即 PtlO0的电阻变化范围为 100.00～138.51 Q 的变化 ，选用参考 电阻R 为 100 Q，之所以引入参考电阻求电压差值，而不是直接把电流加在 Ptl00上测其的电压值，是为了把采样的起始电压降到 0 V，在采样范围-定的情况下 ，提高温度的测量范围和精度。

Pt100的 电阻 变化 范 围在 0～100℃ 变 化 时 为100.O0～138.51 Q之间，也就是说仪用放大器的差分输入 电压最大为 (138.51-100.O0)×3.3 mA127.083 mV。A/D的基 准 电压为 3.3 V，由 3.3 V/127.083 mV25.96倍 ，取整数为 26倍。由 INA128的放大特性可知，放大增益 A 150 kl/R 26，可得，R 2 kn。Ptl00的精度为0.039 12/0.1℃，换算成电压值 是 0.1278 mV/O.1℃，经放 大 后 约为3.3 mV/0.1℃，理论上可以实现 0.1℃的精度。

2.3 传感器部分本设计所用的Ptl00温度传感器是-种铂丝热电阻传感器，可以工作在 -200℃ ～850 oC的范围，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

2.4 A/D转换部分A/D转换的作用是把代表-定电压的模拟量转换成代表-定温度的数字量。采用 MSP430G2553单片机集成的A/D，该 A/D是 1O位 A/D，其满量程值是03FFH代表 100℃，则 1 LSB代表0.1℃，满足了温度分辨率为 0.1 oC的要求 。A/D基准采 用外部 电压并且与产生恒流源电压为同-个电压，那么仪放 INA128输 出电压为：Vo 。 [Vref/R1l·R 0。-Vr f/R5·100] (1)A/D采样电压为：V dVo /V ·(2 -1)[1/RlR川o-1/R5· 100]4 (2加-1) (2)式中： 为仪用放大器的输出电压 ； 为参考恒压源；朋 。。为温敏电阻实际阻值； 为仪用放大器的增益。

2.5 键盘电路本单元实现对温度的设定，在设计键盘接口电路时，为了节省单片机的 10口资源，采用了键盘扫描控制芯片 CH452，它能实现对键盘的自动扫描和去抖。

· 30· 仪 表 技 术 2013年第 2期GND-I3.3VGND，I3.3 V∞ 图 3 恒流源和信 号放 大部 分电路2.6 显示电路采用 LCD12864液晶显示温度值，3色 LED灯指示升温中、温度达到 40℃和温度达到 60 c《三种状态。

2.7 执行单元单片机输 出的控制信号为 占空 比可变的 PWM波，该信号控制场效应管 IRF540的导通时间，进而控制大功率电阻的功率，对环境温度进行控制。

2.8 通信接口本系统设置了-个串行口，可与 PC机通信。这样便于系统扩展，还可以充分利用 PC机实现复杂数据的分析和处理。

3 算法数学描述3.1 最小二乘法之曲线拟合根据测温范围 0～100℃和 Ptl00的分度表 ，通过Matlab拟合出 Ptl00在 0～100 o时温度与电阻的关系表达式，拟合曲线如图4∩得温度与电阻关系式为：R：-0.0001t 0.3908t99.9980 (3)式中：尺为 Ptl00的实际电阻，t为实际温度。

3.2 滑窗均值滤波法滑窗均值滤波法相当于有-个固定长度 的滑动窗口，沿离散时间序列滑动。每滑动-个采样间隔，窗口前面进人-个新的数据，窗口后面去掉-个旧的数据，这样窗口中始终有 个最新”的数据。然后，每次在滑动后把窗口中的 L个数据进行算术平均，就可得到-组经过滑动均值滤波的新序列，其表达式为：/j ./// ///// r八图4 Ptl00阻值 与温度 关 系拟合 曲线1 - 1Y[n]÷∑ n-k] (4)L U式中 ： 为滑动窗 口的宽度。

滑动均值滤波相当于-个低通滤波器，衰减了较高频率的信号，对数据起到平滑的作用。图 5为滑窗均值滤波效果图对比。该程序实现对采集的40个数据进行数字滤波，采用快速排序算法，舍弃前 10个和后 l0个，对剩下的20个数求平均。

3.3 PID算法PID算法的增量表达式为：△u(k)K [e(k)-e(k-1)]K e(k)K。[e(k)-2e(k-1)e(k-2)] (5) i 《2013年第 2期 仪 表 技 术 .31。

变形为 ：△M(k)(K IK。)e(k)-(K 2KD)e(k-1)K e(k-2) (6)式中：k表示第 k次采样，s(k)为设定温度，Y(k)为实际温度， (k)为温度控制量，误差为 e(k)Y(k)-s(k)。图 6为 PID算法的流程图，图 7为 matlab仿真的 PID算法效果图。

200150> 10050200150之10050滑窗均值滤波处理前v - ～-W n- - 、， J O 50 100 l5O 200 250t/ms滑窗均值滤波处理后0 50 100 150 200 250t/m s图 5 滑窗均值 滤波效果 图对 比图6 PID算法的流程 图厂 J--- 、， -。

lli图 7 matlab仿真的 PID算法效果图4 测试方法描述采用先分别调试各单元拈，调通后再进行整体调试的方法，以提高调试效率。各单元拈的调试如下：4.1 恒流源拈由图3及其计算可知，理论上 R 和 R 电阻上的电压会恒定不变，为 3.3 mV，而在实际测量中，总存在误差，因此尽量使恒流源部分的四个电阻的阻值相等。

4.2 放大部分由图3及其计算可知，放大倍数为26倍，用不同的标准电阻代替 Ptl00进行测量，放大倍数约等于26倍。

4.3 执行拈给场效应管 IRF540高电平，测量大功率电阻两端的电压接近所加 电压 ；给低 电平 时，电阻两端 电压为0，表示执行拈工作正常 。

各拈调通后，进行全系统调试，其过程如下：将FLUKE-17B型万用表上的热电偶与Ptl00-起捆绑在大功率电阻的外壁上，选定不同的温度点，记录下万用表显示的温度和 Ptl00测试的温度进行 比较 ，然 后通过键盘设置-温度值，用-组 PID控制参数来控制系统运行，记录下实测的温度值，如此反复实验，求出-组最佳的 参数用来支持系统工作。

表 1 温 度与电压 关系955 1230 1494 1752 2035 2292 l 电压/V l l I l l f f表 2 设定温度与 实际温度 比较设定值/qC 30 40 50 60 70 80实测值/℃ 30.1 40.1 5O.2 60.2 70.2 80.3温差/% O.3 O.3 0.4 O.3 O.3 O.45 数据分析与结论表 1数据经 matlab处理可以看出温度和电压值近似成线性关系，曲线关系如图 8所示 。由表 2可 以看出测量误差 ≤0.3℃。

测试结论 ：测温范围：0～100℃ ；环境变化时误差≤0.3℃ ；液晶显示 0.0～100.0℃ ；温度可测量 、可设定；可用 LED指示；可实现加热自动计时。

/// // r/ /// //℃图 8 温度和模拟 电压值 的关系6 结束语本文介绍 了基于Ptl00型铂热电阻的温度测量和(下转第34页)2 2 2 1 l Z p- 34· 仪 表 技 术 2013年第 2期式实时操作系统，构建系统的嵌入式开发平台，然后分别对 UART接 口、SPI接 口、I C接口、TFT-LCD等进行API接口函数的开发，最后编写基于多任务调度机制的应用软件。

3.2 应用程序任务设计系统首先对 C/OS-I和 目标板进行初始化 ，然后创建和启动各个应用任务 ，按照优先级 由高到低的顺序，设计了谐波采集检测任务、LCD显示任务、Zig-Bee通信任务、GPRS通信任务、SD卡存储任务，任务间通过信号量和消息邮箱进行通信，实现任务调度和管理。其中谐波检测任务负责对电网电流电压信号进行 A/D采样，进行谐波分析；LCD显示任务负责实时显示当前的电网参数；ZigBee通信任务负责进行无线传感网络设备问的数据交换和传输；GPRS通信任务负责将谐波参数通过 GPRS网络传输给远程上位机，实现检测参数的远程监控；SD卡存储任务负责对谐波参数进行存储。图 4是系统的软件结构图。

图 4 系统软 件 结 构 图4 实验分析实验将电网信号同时接入电力分析仪和本装置，并记录两者测量电网谐波的测试数据。表 1是谐波分析测量数据表 ，由测量数据可以看 出，测量误差较小 ，实验结果表明系统运行稳定可靠，能够较准确地完成电网谐波的检测，满足国家相关标准的要求。

其中，1为电力分析仪测量数据，2为装置测量值，谐波值表示均为相对基波的百分比值。

5 结束语本文介绍的基于 STM32F103VBT6的谐波参数实时获取便携装置，充分应用 STM32芯片丰富的片上资源，低功耗等特点，通过移植 C/OS-II嵌入式实时操作系统，结合相应的谐波检测算法，实现对电网谐波参数的实时检测 。采用的 ZigBee和 GPRS无线传输技术，实现谐波采集数据传输多样化，装置便于安装、组网方便、成本低，具有广阔的应用前景。

表 1 谐波分析测量值1次 2次 3次 4次 5次 测量方案基波/v 谐波/% 谐波/% 谐波/% 谐波/%1 221.2 0.O16 0.608 O.O34 0.5252 219.5 0.392 O.96l1 0.0558 0.67836次 7次 8次 9次 10次 测量方案谐波/% 谐波/% 谐波/% 谐波/% 谐波/%1 0.023 O.1lO O.O1O 0.256 O.Ol32 0.0795 0.2O17 0.0252 O.16lO 0.O1l811次 l2次 13次 l4次 15次 测量方案谐 波/% 谐波/% 谐波/% 谐 波/% 谐波/%l 0.122 0.0l5 0.274 0.O13 0.0702 0.2097 0.0282 O.3126 0.0374 0.0489l6次 l7次 18次 19次 2O次 测量方案谐波/% 谐波/% 谐波/% 谐波/% 谐波/%l O.Ol2 0.063 0.003 0.062 0.0062 O.O188 0.0897 0.0774 0.1093 0.Ol82