基于ADS1248高精度测温装置的设计

张树青，李 妍，王步洲，李朝阳，李国吉

(1.航空四站装备修理厂，河北石家庄 050071；2.河北工业大学计算机科学与软件学院，天津 300401；3. 东旭集团有限公司，河北石家庄 050000；4. 石家庄凯普特动力传输有限责任公司，河北石家庄 050000)

基于ADS1248高精度测温装置的设计

张树青1，李 妍2，王步洲3，李朝阳3，李国吉4

(1.航空四站装备修理厂，河北石家庄 050071；2.河北工业大学计算机科学与软件学院，天津 300401；3. 东旭集团有限公司，河北石家庄 050000；4. 石家庄凯普特动力传输有限责任公司，河北石家庄 050000)

针对疫苗的运送及仓储过程中对环境温度的严格要求，设计了高精度的测温装置。选用了Pt100作为温度传感器，采用四线制测量方法去除了传输线上的干扰，设计了比例测量法使系统的精度仅依赖于一个高精度电阻。选用的ADS1248芯片内部包含了PGA放大器及24位ADC芯片，降低了装置的复杂性，同时具有较高的分辨率。经测试,本装置的测温精确达到0.1 ℃，能够满足疫苗的运送及仓储的要求。

ADS1248; 四线制测量; 高精度测温；比例法

温度测量[1-2]与人类的生产和生活息息相关，在工农业生产、仓储和产品流通等环节中，需要对产品所处环境的温度进行精密控制，比如疫苗的存储和运输，这就要求人们能够高精度地测量温度以实施相应的温度调控。本测温装置在传统一味追求高精度的测温器件以达到测温精度的基础上在电路的设计中也进行了调整，以更大程度地提高温度测量的精度。

1 装置工作原理及硬件设计

1.1ADS1248介绍

ADS1248 是高度集成的24 bit精密ADC芯片，集成了低噪音可编程增益放大器(PGA)， 单周期设定数字滤波器的精密Delta-Sigma ADC 振荡器输入切换器(input mux)，集成了两路恒流源,可采样4组差分或7组单端输入，还具有50 /60 Hz 同步抑制模式;传感器断线检测功能设计中选用该芯片可在不影响性能的情况下减少器件数量，ADC的数据速率高达2 ksps，功耗仅为2.56 mW，芯片集成度高，应用中可简化电路设计。

1.2Pt100四线制测阻值原理[3-4]

由于Pt100的电阻范围很小，通常在几十欧姆到一百几十欧姆，用Pt100的电阻来表示温度的大小，导线上等效的电阻将不能忽略，传统的测试方法忽略了导线上等效的电阻势必将引起很大的误差，对于高精度的测量，这么大的误差是不允许的。本装置采用四线制测电阻的方法能够完全消除连接导线上的等效电阻的影响，精度高稳定性好。测试电路图如图1所示。

图1 四线制测量电阻阻值Fig.1 Four-wire resistance measurement

如图1所示，四线制测温的时候在A点加入恒流源，那么AB两端将产生一定的压降，这个压降包括了导线上的等效电阻压降，这时不测量AB两端而是测量ab两端的压降，这样就去除了导线上等效电阻的压降，得到了恒流源经过电阻时产生的真实压降，从而提高测温的精度。

1.3装置总体设计

装置的核心部分电路如图2所示。

如图2所示，让ADS1248集成的恒流源流经待测热敏电阻和高精度电阻R0，R0两端的电压作为ADS1248芯片ADC的参考电压。待测电阻Pt100的电压接到ADS1248的模拟输入口的AIN0和AIN1，AIN0和AIN1两端的电压经ADS1248的PGA放大，然后进行ADC，得到电压值，转换成电阻值，最后对照Pt100得出当前的温度值。

图2 测温电路Fig.2 Temperature measurement circuit

图2的测温电路简单实用，它巧妙地利用ADS1248的恒流源同时流经待测电阻R1和产生ADC参考电压的电阻R0，使得R1与R0之间的电压等于它们之间的电阻，避免了因为参考电压的误差而引起的系统误差，也简化了软件编程的计算。同时，这个电路可以进行热敏电阻的短路和断路检测，当热敏电阻R1短路时，ADC的值为0，当R1断路时，ADC的值为最大值。所以当ADC的值接近于0或者接近于最大值时可以认为待测电阻已经短路或者断路。

2 装置软件设计

系统的软件控制程序流程如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Flow chart of software

由于本装置电路简单，而且选用了集成度很高的ADS1248芯片，使得软件设计非常简单，选用一般的单片机就可以满足要求，程序流程也很简单。对芯片、单片机I/O接口等进行初始化后检测一下电路的连接是否正常，如果正常直接采集ADC的值，然后转化为温度值。在每次采集ADC之前检测一下待测电阻是否有断路或者短路情况。

在把ADC采集的值转换成温度值时，需要查询Pt100的电阻温度对应表，因为对应表内的数据精确到了0.01 Ω，现在假设电阻在0.01 Ω间隔上电阻与温度是线性关系。这种假设引入的误差最大为1%。

当本系统用于要求精度高的测温系统时，需要将温度数据做进一步处理，显示出来或者通过通信接口传输到下一个系统(比如控制系统)。这时只需要通过通信接口将数据传输出去就可以了。

3 装置的高精度理论分析[5-6]

3.1Pt100的精度

Pt100温度传感器是一种以白金(Pt)做成的电阻式温度检测器,它的阻值和温度是正相关的。当Pt100在0 ℃时的阻值为100 Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但它们之间的关系并不是简单的正比关系，而更应该趋近于一条抛物线。通过大量的实验，已经获得了一个精度为1 ℃的阻值温度关系表，在使用中查表即可。因为该装置是高精度测温装置，所以假设2个相邻整数温度之间是线性关系，以提高测量精度。Pt100属于一种高精度的热敏电阻，目前的制作工艺其阻值精确度可达到0.5%。

3.2四线制测量电阻阻值的精度

根据1.2节分析，四线制测电阻时去除了导线上的等效电阻的影响，这种方法测量电阻阻值其精度几乎可以达到100%，电阻的测量误差可以忽略不计。

3.3ADS1248的ADC精度及其他可能引起的精度误差

ADS1248集成了24 bit的高精度ADC电路，其测量最大误差为0.001%。在通常的ADC转换电路中还存在因为参考电压的误差引起的测量误差，在3.1节介绍中已经说明，本系统采用的比例法测电阻巧妙地避免了这一点。

3.4系统的总体误差[7-8]

在本设计中R0选择高精度的2.2 kΩ电阻(2.2 kΩ电阻经1.5 mA电流产生的压降在ADS1248参考电压的最佳参考电压范围内)，目前的制作工艺其精度一般为±(0.01%～1%)，取最大误差1%参与运算。ADS1248的PGA选择128倍。则满足式(1)：

(1)

式中：Ie为ADS1248产生的恒流源电流；UADC为ADS1248芯片的AD转换值；UPGA为ADS1248芯片选择的PGA的值。整理得到

(2)

利用数值分析的知识算得系统测量热敏电阻的理论误差为

(3)

查阅资料知e(R0)为±(0.01%～1%)，现取最大误差1%参与运算，所以e(R0)的精度误差为1%；查阅ADS1248数据手册得e(UADC)最大值为0.001%；e(UPGA)最大值为0.01%。代入计算得

(4)

式中：128是ADS1248的PGA放大倍数。

将e(UADC)取最大值224计算结果为0.026%。由于Pt100的测量精度为0.026%，而它的制作工艺精度为0.5%，所以相对于Pt100的制作工艺，本系统的测量电阻部分可以认为是零误差的理想系统。本系统的最终误差等于Pt100的阻值温度对应表的误差，精确到了0.1 ℃。在装置软件设计分析中引入了1%的误差，这个误差是在精度为0.1的基础上的1%，可以忽略不计。

4 装置的高精度测试[9-10]

本装置温度测量值和更高精度温度测量值的对比表见表1。

表1 本系统测温精度对比表

在分析中知道该系统装置的温度精确到了0.1 ℃。为了更准确地测试本系统的精度，在对比时保留到0.01 ℃，对比仪器选用重庆风云仪器有限公司的恒温槽低温鉴定装置，它有不同的规格，可满足-80～500 ℃的温度标定，温度波动≤±0.005 ℃，水平温差≤±0.005 ℃，最大温差≤±0.01 ℃。

通过表1的比较，本系统的测温装置精度很高，达到了0.1 ℃。

5 结 语

通过对本系统的理论分析及实际测试与更高精度的测量仪器进行对比，本系统对测试电路上的改进等方法的确提高了系统的精度与稳定性。使系统的测温精度精确到0.1 ℃以内。能够满足许多对温度测量和控制要求高的工农业生产中。本系统电路设计简单容易实现，性能稳定，性价比高，在工农业生产中可以更广泛的使用。

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Design of high precision temperature measuring device based on ADS1248

ZHANG Shuqing1, LI Yan2, WANG Buzhou3, LI Chaoyang3, LI Guoji4

(1.Aircraft Four Stations Repair Equipment Factory, Shijiazhuang Hebei 050071, China; 2. School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 3. Dongxu Group Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 4. Shijiazhuang Captain Power Transmission Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China)

Due to the strict requirement of environment temperature on the transportation and storage of vaccine, a temperature measuring device with high precision is introduced. Pt100 is selected as temperature sensor, the interference of transmission line is removed by using four-lines measuring method. And a ratio measurement method is designed so that the precision of the system depends only on a high precision resistor. The using chip of ADS1248 contains a PGA amplifier and a 24 bit ADC chip, which reduces the complexity of the device and provides high resolution. The measurement precision reaches 0.1 ℃, meeting the vaccine delivery and storage requirement.

ADS1248; four-lines resistance measurement; high precision temperature measurement; ratio measurement method

1008-1534(2013)04-0249-04

TH811

A

10.7535/hbgykj.2013yx0407

2013-03-19;

2013-04-17

责任编辑：陈书欣

河北省自然科学基金(E2012208006);河北省教育厅高等学校科学研究计划(ZH2011243); 河北省教育厅高等学校科学研究计划自然科学优秀青年基金(Y2012018)

张树青(1960-)，男，天津人，工程师，主要从事机械制造方面的研究。

E-mail：hp593@163.com