基于MSP430单片机的超声热计量系统温度检测研究

李先清，张　波

(宁夏大学机械工程学院，宁夏银川　750021)

0　引言

供暖系统中进水与回水的温度差是热计量系统重要的参数之一，温度检测的精度将直接影响整个热计量系统的计量精度，因此在热计量系统中对介质温度进行准确、可靠的测量具有重要的意义。热电阻是接触式温度测量中应用比较普遍的测温元件，它是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加的原理进行温度检测的。铂电阻具有电阻温度系数分散性小，精度高等优点[1]，因此在热计量系统中得到了广泛的应用。通过温度检测电路将铂电阻两端随温度变化的毫伏压差信号经放大后接入单片机，经A/D转换和信号处理后得到进水与回水管道内的温度值。

1　测量原理

按照铂热电阻的技术标准，Pt100铂热电阻在0～850℃范围内温度-电阻关系为：

Rt=R0(1+At+Bt2)

式中：A=3.9083×10-3/℃，B=-5.775×10-7/℃[2]。

由于公式中存在非线性项Bt2，所以Rt函数的图像应该为一段开口向下的抛物线。考虑到设计中热计量系统所使用的环境温度t∈[0，100]，从而得出Pt100在0～100℃范围内的温度-电阻线性曲线如图1所示，可以看出铂热电阻在0～100℃内，函数Rt的图像接近于一条直线。

经理论计算，Pt100在0～100℃的最大非线性误差为0.12%，非线性很小，所以在0～100℃范围内测温时，可以按线性处理。通过计算拟合出Pt100在0～100℃的线性方程为：

Rt=R0(1+0.386t)

(1)

式中：Rt和R0分别为t和0℃时铂热电阻的阻值，Ω.

即在0～100℃范围内，温度每升高1℃，Pt100的电阻值增加0.386 Ω.

图1　Pt100在0～100℃的温度-电阻变化曲线

2　温度检测方案研究

文中设计了两种不同形式的温度检测电路：一种是三线制桥式温度检测电路；另一种是恒流源式温度检测电路。

2．1三线制桥式温度检测电路

与两线制电桥测温电路相比较，三线制电桥测温电路消除了内引线电阻的影响，提高了测量精度[3]。

图2中，热电阻Rt通过两条引线与电桥连接，由欧姆定律可得：

I1=U/(R+Rt+2r)

(2)

I2=U/(R+Rr)

(3)

Vo=I1(Rt+2r)-I2·Rr

(4)

式中：U为电源电压，V；R为限流电阻，kΩ；I1、I2分别为两电桥支路电流，mA；Rr为参考电阻；r为铂电阻导线电阻，Ω；Vo为输出电压，mV．

由于导线电阻r远小于限流电阻R，因此可以认为I1=I2。当Rt=Rr时，由式(4)得出输出电压Vo=I1·2r，引起了桥路的不平衡，带来了测量误差。

图2　二线制桥式电路

图3中，热电阻Rt通过三条引线与电桥连接，其中一条置于电源回路，导线电阻r上产生的微小压降并不影响桥路的平衡，由欧姆定律得：

图3　三线制桥式电路

I1=U/(R+Rt+r)

(5)

I2=U/(R+Rr+r)

(6)

Vo=I1/(Rt+r)-I2·(Rr+r)

(7)

当Rt=Rr时，由式(7)可计算出输出电压Vo=0。电桥保持平衡，测量误差小。根据此原理，文中设计了图4所示的三线制桥式温度检测电路。图中，R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，给TL431提供一个大于100 mA的电流，使其处于工作状态，给电桥电路提供一个2.5 V的稳定电压，从电桥获取的压差信号通过放大后接入MSP430单片机。

文中放大电路采用集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大。当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Uo对应升高。

图4　三线制桥式温度检测电路

2．2恒流源式温度检测电路

根据恒流源原理，当在铂电阻的两端施加一个恒定的电流时，则铂电阻两端电压的变化即可以反映铂电阻所处环境温度的变化。

由图5可以看出，由于恒流源的作用，电压输出与铂热电阻的阻值成线性变化关系，其表达式为：

Vo=Is(Rt+2r)

(8)

图5　恒流源式电路

根据上述原理，文中设计了如图6所示的温度检测电路。

电路采用TL431和电位器RV1产生可调节的参考电源，然后将基准电压转换为恒流源，恒流源的原理如图7所示。根据虚地原理，理想运放的“+”端和“-”端电位V+=V-=U.

假设放大器的输出脚“1”的对地电压为V0，根据虚断概念可得[4]：

(0-V_)/R16+(V0-V_)/(Rt+2r)=0

(9)

因此Pt100两端的压降VPt100为：

VPt100=V0-V+=(Rt-2r)V_/R16

(10)

V_和R16的值均不变，等效于一个恒定的电流流过Pt100，电流的大小为I=U/R16，热电阻上的压降仅和自身变化的电阻值有关。Pt100两端的电压接入由LM324组成的高输入阻抗高电压跟随器，降低了信号在传输过程中的非线性误差。压差信号经过一级放大后再接入MSP430单片机。

文中设计之初首先采用Multisim软件对恒流源发生电路进行仿真[5]，但硬件电路在调试中得出的数据与Multisim仿真结果不一致，实际测量数据与理论计算的结果差异明显，得不到可行的恒流源电路。经过研究得出在Multisim软件中，当满足放大器供电电压时，放大器就工作在理想的线性范围，放大器正向输入与反向输入的电压V+=V-。但实际电路中，提供给放大器上的电源电压较小时，放大器并不能工作在理想线性范围。随后文中使用PROTEUS软件对恒流源发生电路进行仿真[6]，仿真结果与实际测量数据相同。调整电路后使放大器工作在线性范围，使实际测量数据与理论计算值相符合。

图6　恒流源式温度检测电路

图7　恒流源发生电路

3　程序设计与软件仿真

温度检测系统框图如图8所示[7]，进、出水温度由2支铂热电阻温度传感器来测量。外围电路由信号采集放大电路、液晶显示以及其控制单元、时钟和复位电路以及JTAG程序调试及下载接口组成。智能MSP430单片机芯片是整个系统的核心，用来完成温度测量、数据的存储以及与外部设备的通信等[8]。经过放大压差信号经MSP430单片机的12位A/D转换及运算后，发送到LCD显示[9]。通过按键控制，可以使液晶分别显示出高温区域温度值、低温区域温度值以及高低温度区域的温度差值。

图8　温度检测系统框图

文中设计采用PROTEUS与IAR Embedded Workbench联合仿真，在仿真成功的基础之上再进行硬件系统的搭建。PROTEUS是一种能够仿真基于微控制器的设计系统，它可以很方便地与MSP430系列单片机的C语言开发系统IAR相连接。程序编译好之后，对PROTEUS内的微控制器及其外围电路进行软件仿真设计。温度检测系统的主程序流程图如图9所示。

图9　温度检测系统的主程序流程图

图10所示的为IAR Embedded Workbench程序编辑界面。

在PROTEUS中设计需要仿真的电路，调用通过IAR生成的hex文件，对温度检测系统进行软件仿真。仿真过程使用电阻器来模拟铂热电阻，两温度检测电路的输出端接入单片机。

通过PROTEUS软件和IAR联合仿真，验证文中设计方案的可行性，为搭建实际的温度检测系统奠定理论基础。

图10　IAR Embedded Workbench程序编辑界面

4　硬件电路

在理论研究与软件仿真的基础上，文中搭建了三线制桥式温度检测电路和恒流源式温度检测电路。

分别采用这两种测温电路进行0～100℃范围内的水温测量，并用精度为0.1℃的标准温度计进行温度标定。

考虑到视频中相邻帧的重复率一般比较高，关键帧的提取可以减少帧数，进而提升图像特征点检测和匹配效率，同时也为图像拼接提供一个组织框架。针对这项关键技术，得到了研究者们的广泛关注，并取得了一定研究成果。文献[1]从相邻帧间的颜色或纹理信息变化程度出发，提出了基于视频内容的方法。文献[2]通过计算当前帧与类心之间特征值的距离，将视频中所有帧进行聚类分析，得到基于视频聚类的分析方法。文献[3]提出基于运动特征分析的算法，其基本原理是利用光流分析，将视频中运动量最小的一帧作为关键帧。

采用三线制桥式测温电路以及恒流源式测温电路进行温度检测得到的温度数据分别如表1、表2所示。通过对比温度偏差，得出恒流源式温度检测电路的测量精度更高。由式(3)可以知，随着铂热电阻阻值的变化，桥臂电流I2也相应发生改变。因此在式(7)中存在着桥臂电阻r和电桥输出电压Vo之间的非线性问题，导致三线制电桥式测温电路产生了比较大的测量误差[10]。有鉴于此，文中在实际的温度检测系统中，仅使用恒流源式温度检测电路来对温度信号进行采集。

表1　三线制桥式测温电路测温数据　℃

表2　恒流源式测温电路测温数据　℃

5　结束语

文中设计的温度检测系统能较好地实现对热计量系统高温与低温区域水温的检测。通过实验测试验证了其测温性能的稳定性。整个温度检测系统的硬件电路设计也将为下一步超声波热计量系统实验装置的搭建奠定了基础。

参考文献：

[1]杨小玲，施隆照．铂电阻测温正反馈线性化的研究与设计．仪表技术与传感器，2012(9)：1-2．

[2]郁有文，常健．传感器原理及工程应用．西安：西安电子科技大学出版社，2000：155-158．

[3]李颖．热电阻引线电阻补偿电路．工业计量，2002(S1)：99-100．

[4]杨明欣．模拟电子技术．北京：高等教育出版社，2012．

[5]熊旭军．基于Multisim的差分放大电路仿真分析．现代电子技术，2009(4)：14-15．

[6]孙驷洲，陆华才．PROTEUS软件在单片机实验教学中的应用．科技信息，2013(1)：25-33．

[8]沈建华，杨艳琴．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践．北京：北京航空航天大学出版社，2008．

[9]吴平，龚彬，丁铁夫．液晶显示模块和MSP430单片机在显示终端上的应用．液晶与显示，2003，18(6)：436-440．

[10]郝桂青，李建飞．铂电阻温度传感器实现线性测温方案的研究．自动化仪表，2011，32(11)：84-86．