探針式智能溫度控制儀的方案設計和應用范圍分析

1 引言

目前工業化作業工作溫度非常寬泛，若要準確測量溫度需采用智能溫度控制儀。因此，該智能溫度控制儀以熱敏電阻外加恒流源作為溫度傳感器，將溫度信號以電壓信號形式采集，經放大A／D轉換器轉換，傳輸至單片機處理，便得到溫度值，并在數碼管上顯示。該儀表處理速度快，精度高，應用廣泛，諸如高溫熔爐、工業冶金、水溫測量等領域。

2 系統硬件設計

圖1為該系統硬件設計的結構框圖，主要由傳感器、顯示、A／D轉換采樣、單片機控制單元、串口通信、人機交互等模塊組成。

2．1 傳感器模塊

傳感器模塊采用PT一100型熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而升高，PT-100加恒流源，其測量溫度范圍受PT一100耐溫的影響．范圍為一50℃～620℃。PT一100是一個前端為金屬，后端為導線的熱敏電阻，若將其包裹防腐蝕、耐高溫材料，則可將作為探頭探進高溫熔爐、低溫冰窖，實現溫度測量。PT-100熱敏電阻自帶兩根導線，將其兩線改成四線制測量，可有效消除引線電阻（即將傳感器的信號傳到遠方二次儀表之間的連接導線或電纜）影響，使測量結果更準確。圖2為傳感器前端接口電路，通過調節器TL43l給電路中的恒流源提供基準電壓V-ref為2．49l V（基準電壓范圍為2．440～2．550 V）。這里選取2．491 V電壓，便于后續數字量計算。將基準電源接至放大器0P07，為PT-100提供恒流源。

由于該系統設計采用的PT一100是無源傳感器，因此需設計傳感器接口電路。該接口電路可提供一個恒流源接入，使阻值轉換成電壓值。其恒流值為2．491 V，2．5 kΩ≈1 mA。圖2中R2為精密電阻，能夠提供穩定恒流值，無溫漂。并在算法中加入軟件濾波，可將外界干擾降至最低。

2．2 A/D轉換器采樣模塊

探針式智能溫度控制儀采樣模塊主要是由基準器件A／D轉換器AD623和AD7705組成，由于所采集的溫度傳感器電壓為毫伏級，所以需通過具有放大功能的AD623完成，其電壓放大倍數由RC決定，放大倍數G=（100 kΩ/RG）+1。由于傳感器輸出電壓為80～320 mV，基準電壓2．491 V，故選取RG為20 kΩ，則放大倍數G≈6。經運放放大，其輸出電壓信號為0．48～1．92V，完全滿足輸入電壓不高于基準電壓的要求。圖3為信號放大電路。

2．3 顯示模塊

如圖4所示，在單片機和LED顯示之間接入一串入／并出的鎖存器74HC595，驅動LED燈。單片機I／O接口控制4個LED數碼管的位選，利用三極管的飽和、截止特性。數碼管通過4根位選線與接三極管相連。單片機I／0接口向移位寄存器逐位移入8位二進制數，在上升沿信號時，存儲器移入1位二進制數。存滿后，單片機控制存儲器輸出8位二進制數，點亮對應數碼管，這樣可減少單片機資源消耗。

3 系統軟件設計

3．1 溫度算法

圖5為信號變換框圖，由電阻值可得數字量，反之單片機對A／D轉換器采樣的數字量進行處理，可通過公式2．5×（數字量／65．536）計算輸入的模擬電壓值，逆推出電阻值。由于熱敏電阻PT-100阻值與溫度具有分段接近線性的特征，并參考PT一100阻值與溫度的對照表，將溫度值每10℃分作一組與對應電阻值求其斜率，可根據單片機采樣的數字量計算出相應的溫度值。