基于C8051F350三线制热电阻测温仪表的设计

刘 伟，李 晶

(1．吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022;2．吉林信息工程学校电子教研组，吉林吉林132022)

工业中常采用热电阻 PT100、Cu100以及Cu50等进行温度测量，在热电阻测温仪表中为了消除导线电阻引入的误差，一般均采用三线制检测方式［1］，其结构组成框图如图1所示．

图1 热电阻三线制测温仪表结构框图

图1中恒流源电路为测量热电阻提供所需的电流，测量电路前级采用高阻抗输入的差动运算放大电路对信号进行处理，再经ADC采集后送入CPU进行运算得到测温结果．从图中可以看出这种电路结构较复杂．而随着新型C8051F等片上系统的出现，芯片中模拟器件集成度的逐渐提高，三线制热电阻测量电路可以得到极大的简化，电路的简化不仅仅降低了成本，减少了生产的调试环节，同时也较大的提高了电路的可靠性．本文将详细论述基于偏上系统的三线制热电阻测温仪表的设计．

1 热电阻测温原理及测温电路

采用C8051F350片上系统简化后的热电阻测量电路如图2所示．C8051F350片上系统运行速度可达50MIPS，并且内部集成有电流型IDAC、转换速率达1 ksps的24位差分Sigma-Delta ADC、程控增益放大器PGA、15PPM/℃的电压基准源以及定时器、PCA等资源［2］．

图2 C8051F350热电阻测量电路原理图

根据C8051F350片上资源以及三线制测温 仪表结构的分析，图1中恒流源可采用电流型IDA0实现，放大电路采用内部集成的程控增益放大器PGA，A/D转换电路采用内部集成的24位差分型ADC，并且通过寄存器配置实现AIN0．0与 AIN0．2，AIN0．1 与 AIN0．2 两对差分输入，分别对Uab与Uac的进行测量，并通过内部集成的系统校准寄存器实现偏移校准与增益校准，以获得较好的测量结果．

工作原理:图2中RT为热电阻传感器，r1、r2、r3为导线电阻，在实际工程中这三根导线采用相同材质相同长度的导线，因此有r1=r2=r3=r，IDA0为测量恒定电流i，由于C8051F350模拟输入端具有极高的输入阻抗，即AIN0接口不消耗电流，电流i仅从c点经r1、RT与r3流回到a点的系统地(电流I回路为c-d-a)．

所以a与c之间的电压即为:

由于AIN1接口也是高阻接口，因此在b与d之间的这条导线(r2)没有电流，因此b点的电势与d点的电势相等，即Uab=Uad，在b-d-a这个回路中仅有RT与r3有电流i流过，所以:

由(2)×2－(1)得:

设内部程控放大器的增益为k，电压基准电压为Vref，Uac经 ADC转换后的数字量为 Nac，则有:

同理Uab经ADC转换后的数字量为Nab，则有:

从(5)中可以看出，经过此处理测量结果已经与导线电阻r无关，即消除了导线对测量结果的影响．并且 i、k、Vref为已知常数，因此，RT与(2Nab－Nac)成正比，即两者成线性关系．同时由于i采用的是IDA0，而IDA0采用的电压基准也是内部Vref，因此在(6)式中存在的也能部分抵消电压基准温度漂移的影响，从而提高了仪表自身的温度稳定性［3］．

从(6)式即可简化为:

测出RT后，通过查找PT100分度表并经线性插值运算即可得到被测温度．

2 热电阻测温电路的校准

由于RT与(2Nab－Nac)成比例线性关系，但实际工程电路中运算放大电路、ADC、ADC的基准等均存在误差，因此，仪表生产出厂前比较经过校准才能保证测量精度．

线性系统其主要误差为增益误差与偏移误差［4］，因此可以采用整体校准方案，仅需要校准增益与零点偏移即可，校准过程如下:

校准过程如下:

(1)零点校准:取较小的(约量程的10%)、已知、精确的 RT0输入系统，记录 ADC转换值Nab0、Nac0．

(2)满度校准:取约接近量程90%的、已知、精确的电阻RTr输入系统，记录ADC转换值Nabr、Nacr．

则有:

(3)由(8)、(9)式可以得到

3 软件设计

虽然校准后的γ×(2Nab－Nac)+β软件计算实现，但C8051F350具有十分完备工业系统设计理念，已经在ADC设计了增益校准寄存器与偏移校准寄存器，所以校准时仅需要将γ和β分别送入增益校准寄存器 ADC0CGH、ADC0CGM和ADC0CGL中以及偏移校准寄存器 ADC0COH、ADC0COM和ADC0COL中即可自动实现数据转换，减少了软件运算上的CPU消耗与时间消耗，较大的提高了运算速度，简化了软件设计过程以及对RAM的消耗．

PT100热电阻测温仪表的程序主要包括C8051F350单片机系统时钟初始化、ADC、DAC与基准Vref的初始化、程控增益放大器PGA初始化、增益校准寄存器与偏移校准寄存器初始化、ADC检测、运算并查找分度表程序、线性插值等程序组成．程序流程如图3所示．

图3 程序流程图

4 结 论

此方案采用新型C8051F350片上系统使热电阻PT100测温仪表的电路进行了极大的简化，可靠好，性价比高．并且依赖于C8051F350片上24位高分辨率的ADC与程控增益放大器PGA，以及合理的校准方案，使得仪表的测量精度优于0．1%，由于能够抵消一部分基准漂移，所以测量精度长期稳定性好．目前，此方案已在多个项目中得到应用验证，能够满足工业领域的测温要求．

［1］ 刘麒，张莉，王影．实用的热电阻测温电路设计［J］．吉林化工学院学报，2011(11):84-86．

［2］ C8051F35x手册［DB/OL］．http://www．xhl．com．cn/upfile/Flash/2011/4/20110426172014．pdf．

［3］ 童诗白．模拟电子技术基础［M］．4版，北京:高等教育出版社2006．

［4］ 艾学忠，刘伟，陈北辰．单片机原理及接口技术［M］．北京:中国机械出版社，2012．

［5］ 古天祥，王厚军，习友宝．电子测量原理［M］．北京:机械工业出版社，2006．