PT100水温测试系统的设计

颜丽娜，王顺忠，张铁民

（海南师范大学物理与电子工程学院，海南海口571158）

在水产养殖场，为了保持水中有足够的溶氧量，打氧机需要工作以确保水中的生物得予存活.但是，打氧机的启动、停止几乎是依据养殖人员日积月累的经验进行判断，打氧机并没有实现科学、节能地工作，这在一定程度上造成了用电上的浪费，使得养殖利润的获取也没有达到最大化.

然而，打氧机工作与否不能仅仅依据水中的溶氧量，还需考虑到影响溶氧量的因素，如水温、气压、水面大小等.就水温而言，当水温较高时，水溶氧度低，水中的氧气含量少；反之，当水温较低时，水溶氧度高，水中的氧气含量多[1].由于不同的水生物在不同温度下的需氧量不同，这就需要在不同的水温下根据实际情况设定不同的溶氧量上下限，以保证所养水体生物在最适宜的环境中生长[2].因此，设计一个可以实时检测水温的测试系统，用于调节水中溶氧量的上下限，控制打氧机节能工作，提高经济效益，具有一定的现实意义.

1 水温测试系统的总体方案设计

水温测试系统框图见图1，所设计的测温系统主要由水温传感器，温度转换电路、采集电路、数据传输模块及上位机测控模块组成.温度转换电路首先将温度信号转换为电信号，后经单片机采集处理模块对转换的模拟电信号进行A/D转换并进行计算处理，从而获得上位机所需要的数据.数据传输模块是单片机与PC机的接口电路，借助于此模块，一方面，上位机测控模块可以发出指令信号控制单片机对模拟转换信号的采集；另一方面，上位机可以接收单片机经计算处理后输出的数据，从而实现水温的远程测试.

2 水温测试系统的硬件电路设计

水温测试系统以STC12C5410AD[3]为主控核心，主要由PT100传感器、运算放大器OP37信号转换电路[4]、MAX232串行通信模块和PC机组成.当水温变化时，铂热电阻PT100的阻值也会发生改变.因此，若流经PT100的电流为恒值，PT100两端的电压值则与PT100的阻值成正比例关系，借助于PT100阻值与温度的函数关系，则可计算出水的温度值.

水温测试系统电路见图2.滑动变阻器输出的0.28 V电压作为电阻的输入信号，采用一级运放OP37确保流经PT100的电流恒为2.8 mA.此时一级运放OP37输出的微弱电压信号为2.8RPT100mV，需采用二级运放OP37对信号做进一步的放大处理，使输出的电压信号V0便于单片机采集.当PC机发出“开始采集”的控制命令时，具有A/D转换功能的STC12C5410AD单片机则会采集二级运放OP37输出的电压信号V0，并进行电压信号与温度的数据处理，得到实时温度值，且通过串行通信模块[5]将实时温度值上传给PC机显示；当PC机发出“停止采集”的控制命令时，单片机则停止采集数据.

结合运放、A/D转换及PT100阻值随温度变化的特性知识，从理论上进行分析，则可以得到三个式子：

将（1）、（2）代入（3），从而得到单片机采集电压信号后转换输出数据与水温之间的函数关系式：

其中，RPT100—PT100阻值；V0—OP37二级运放输出电压；ADC—单片机采集电压信号后转换输出的10位二进制数据；T—水的温度；

3 水温测试系统的软件设计

水温测试系统的流程图见图3.主程序由单片机与上位机程序组成，其中，单片机程序采用keil软件进行编写，包含数据采集、数据处理及串口通信模块.上位机界面采用VB软件完成，水温测试系统的上位机界面见图4.

4 实验数据及曲线拟合

将设计好的硬件电路与编写好的程序结合起来进行联机调试，为了避免外界各种干扰信号的影响，保证测试系统运行良好，单片机需多次采集数据取平均值，才能得到较为稳定的测试数据.

用温度计测试得到的数据与理论温度数据见表1.将水温从80℃下降到常温，采用温度计对测试系统的水温进行标定，并将温度计测试得到的数据与理论计算得到的温度数据进行比较.

图4 水温测试系统上位机界面Fig.4 Upper computer interface of water temperature measuring system

表1 单片机采集信号后转换输出数据和温度计测试数据Tab.1 Output data of single-chip microcomputer after collecting signal and measuring data of thermometer

以单片机采集电压信号后转换输出的数据为横坐标，温度计测试得到的数据为纵坐标，采用最小二乘法将表1中的数据进行线性曲线拟合[6]，所得的曲线见图5.若将标定好的实验公式作为测试系统采样数据与温度的函数关系式则可实现水温的实时测试.

水温测试系统的实验标定公式为：

不难看出，理论公式与标定公式基本上是一致的.

5 结语

实验表明，所标定的公式与理论公式基本上保持一致，因此，所设计的水温测试系统是可行的.当环境条件改变时，只需对水温进行重新标定，则可实现水温的远程在线测试，且测试误差可以控制在1℃的范围内.这为后续水中所需溶氧量的调节提供了前提保障.当水温较高时，打氧机可以高速运转或增加机器台数工作；当水温较低时，打氧机可以减速运行或减少机器台数，这在一定程度上确保了水生物得予存活，打氧机又可节能工作.

[1] 张兰舸.水中的溶氧量与何相关[J].钓鱼,2009,5:43.

[2] 陈郡,王涛.鱼塘溶氧量自动监测系统的设计[J].安徽农业科学,2009,37(24):11718-11719.

[3] 陈桂友,柴远斌.单片机应用技术[M].北京:机械工业出版社,2008:33-34.

[4] 秦曾煌.电工学电子技术[M].5版.北京:高等教育出版社,2002:111-113.

[5] 刘艳玲.采用Max232实现MCS-51单片机与PC机的通信[J].天津理工学院学报,1999,2(15):57-61.

[6] 邹乐强.最小二乘法原理及其简单应用[J].科技信息,2010,23:282-283.