ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１５．０３．０１９ 基于ＰＴＩＯ０ 热电阻的高精度测温系统的设计 严长城，应贵平 （上海海事大学商船学院，上海 ２０１３０６） 摘要：ＰＴ１００传感器是工业现场中常用的测温传感器，介绍了一种基于ＰＴ１００的测温装置，采用电桥及三线制接法，以 ＳＴＣ８０Ｃ５２ＲＣ单片机为控制核心，１２位串行芯片ＭＡＸ１２７０为ＡＤ转换芯片。经过实测系统工作稳定可靠，测量精度在±０．１ ｏＣ 以内。 关键词：ＰＴ１００；惠斯通电桥；三线制接法；最小二乘法 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９４９２（２０１５）０３—００７１—０４ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＴ１００ ＹＡＮ Ｃｈａｎｇ—ｃｈｅｎｇ，ＹＩＮＧ Ｇｕｉ－ｐｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＰＴ１００ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｆｉｅｌｄ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＴ１００，ｕｓｉｎｇ Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ Ｔｈｒｅｅ ｗｉｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ＳＴＣ８０Ｃ５２ＲＣ ＭＣＵ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ，ｔｈｅ １２ ｂｉｔ ｓｅｒｉａｌ ｃｈｉｐ ＭＡＸ１２７０ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ＡＤ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｈｉｐ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｓｔｅａｄｉｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｂｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ±Ｏ．１℃ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｅｎｓｕｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＴ１Ｏ０；ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ；ｔｈｒｅｅ ｗｉｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｔｈｅ ｌｅａｓｔ—ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ０引言 热电阻是中低温常用的一种温度传感器，其 工作原理是基于电阻的热效应，即电阻的阻值随 着温度的变化而变化。因铂热电阻在热电阻中的 精度是最高的并且有着抗振动，稳定性好，耐高 压的特点，所以被制成各种标准温度计供计量和 校准使用。本文选用的铂热电阻为ＰＴ１００，０ ｃＩ＝ 的电阻阻值为１００ ｎ，在０ ｃＩ＝～１００℃之间变化 时，最大非线性偏差小于０．５℃。 １．１电压源电路 图１电路为同相比例运算电路，根据理想运 算放大器工作在线性区时的分析，依据虚短、虚 ０ １调理电路设计 因ＰＴ１００与热电偶不同，属于无源传感器， 所以需要设计额外的激励来产生电信号输出。本 文设计的ＰＴ１００测温装置，利用常用低成本的四 路运算放大器ＬＭ３２４完成该装置电源电路和三运 放仪表放大器电路的设计。 收稿日期：２０１４—１０—２８ 图１ 电压源电路 自动化 断原则，得出Ａ ＝ ＝１＋ ６ ＝１＋ ＝２，则 １３ 厶ｕ 压的大小可以求出相应电阻的大小，这就是不平 衡桥测电阻的原理 。 实际由于ＰＴ１００电阻较小，灵敏度高，引线 的阻值会带来误差，因此工业上常使用三线制的 接法来消除这种误差。如图２虚线部分，引线电 此闭环电压放大倍数为２倍，继而得到 ＝１０Ｖ， 并作为惠斯通电桥电路的稳定供电电压。 １＿２惠斯通电桥和ＰＴ１Ｏ０的三线制接法 根据ＰＴ１００测温原理，需要精确知道ＰＴ１００ 的电阻值，但是电阻值并不能直接测量，因此需 要转换电路，将电阻值变为单片机可以检测的电 阻值相等且为ｒ，此时的桥臂变为Ｒ ，Ｒ ，Ｒ ＋２ｒ， Ｒ ＋２ｒ，电桥平衡时：尺：・（Ｒ ＋２ｒ）＝ ・ ＋２ｒ），整 理得：Ｒ ＝Ｒ Ｒ，／Ｒ ＋２ Ｒ ｒ／Ｒ２—２ｒ，分析当Ｒ１＝Ｒ２ 时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影 响。 压信号川。惠斯通电桥电路是一种可以精确测量电 阻的仪器。如图２所示 ，尺 ， ，忍分别是它的 １．３三运放仪表放大器电路 当温度从０℃～１００℃变化时，ＰＴＩＯ０的阻值 在１００ ～１３８．５１ Ｑ范围内近似线性变化。根据上 面电桥桥电路得０ ｏＣ时电桥是平衡的所以电桥输 出电压理论值应为为０ Ｖ，而当温度为１００℃时电 桥输出Ｅ ＝ 。／ 。十 。）一 ，／ ＋Ｒ，））， 即 ； １０ｘ（１３８．５１／（１００００＋１３８．５１）一１００／（１００００＋１００）１＝ ０．０３７ ５９９ Ｖ，由于这是个毫伏级信号因此需要将 此电压放大使其变为能被ＡＤ芯片检测的值。如图 ３所示，仪表放大器是在有噪声的环境下放大小 图２ ＰＴ１００三线制接法 信号的器件，其本身所具有的低漂移、低功耗、 高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系 列优点，它利用的是差分小信号叠加在较大的共 桥臂，当电桥平衡时满足Ｒ、×Ｒ，：＆×Ｒ 。当电桥 不平衡时ａ，ｂ两点会有电压差，根据ａ，ｂ两点电 模信号之上的特性，能够去除共模信号，而又同 图３ 三运放仪表放大电路 区 Ⅱ 严长城 等：基哥ＰＴ１００４６热电阻的高精度测温系统的设计 工业自 时将差分信号放大。标准三运放仪表放大器电路 ２．２ ＡＤ数字量转换温度 输出电压为Ａ （ ］ ，这里可取 ＰＴ１００测温原理是根据其电阻值得到温度 值，因此必须首先确定热电阻的电阻值。根据 硬件电路可知，桥电路的输出电压 仪表放大器电路的输出电压 ＝Ｒ８：Ｒ。０＝２０ ｋｉｔ，Ｒ９＝Ｒｌ１＝２０ ｋｉｔ，Ｒａ＝Ｒ７＝１００ ｋｉｔ，便 与运放 可将输入的电压信号放大约１５０倍，使电桥理论 输出电压放大到０～２．３４ Ｖ之间。但这只是理论 的关系为： Ｇｏｂ・Ａ 。因系统运用的是１２位的ＡＤ芯片 值，实际过程中可导致电阻变化因素很多，因此 可将Ｒ３换成一个精密可调电阻器，方便电路调 零。 所以数字量与模拟量的关系为： ／ＡＤ＝５／４０９６，联列前面两式子可得电桥输 出电压与数字量ＡＤ的关系即： ２软件设计 ２．１最小二乘法与ＰＴ１ ００线性拟合 在Ｏ℃≤ ≤８５０℃温度区间中，Ｐｔｌ００阻值与 温度的关系为：Ｒ＝１００（１＋Ａｔ＋ ￡ ），其中Ａ＝ ３．９０８０２×１０～； ＝一５．８０×１０～；Ｃ＝４．２７３５×１０一 。 Ｕｏ ＝５ＡＤ／（４０９６Ａｌｌｆ），再将其带入电桥输出电压 表达式 ＝ （冠／（ ＋Ｒ ）一Ｒ。／（尼＋尼）） 中，可以得到 与数字量ＡＤ的表达式，求 解得： ＝ （４。９５６ＡＤ 可＋ ）／ ｆ１一— ４０９６Ａ ｕ 一— １。知道ＰｒＩ’１ｏｏ电阻值后ｕｆ ７ 由此可知ＰＴ１００的阻值与温度并不是绝对的线性 关系而是一条抛物线，因此如果要将ｔ提取出来 需要进行开方运算，这就引入了比较复杂的函数 运算，大量占用单片机ＣＰＵ的资源，为解决这个 Ｒ２＋ ３ 。 Ｈ＾上土 ｕｕ。 虹工且 ｕ 就可以根据３．１节中的线性拟合式子求出相对应的 温度值。 问题我们可以使用最小二乘法将温度与阻值的关 系进行线性拟合［３］。最／ｂ－－乘法的曲线拟合是试验 数据处理的常用方法，其原理是找出一个多项式 函数使其与原数据误差平方和最小。其ＭＡＴＬＡＢ 程序语言如下： Ｘ：［】； Ｙ＝【］； ２．３单片机数字滤波 为提高ＰＴ１００的ｉ贝４温精度可以在软件编程中 添加数字滤波程序，这样既不需要增加硬件电 路，又可以提高系统的稳定性和可靠性。在单片 机应用系统中有许多滤波方法，当具体选择时要 对滤波方法的优缺点和适用对象进行分析比较， 从而选择合适的滤波方法。中位值平均滤波法的 算法是先连续采集Ⅳ个数据，然后去掉一个最小 Ｐ＝ｐｏｌｙｆｉｔ（ｘ，Ｙ，１）； ｙｌ＝ｐｏｌｙｖａｌ（ｐ，ｘ１； ｅ ｙｌ Ｙ； 值和一个最大值，最后求出剩余的数据的算术平 均值。这样的滤波方式适用于温度等变化较慢的 参数测量，能有效降低由于偶然因素引起的波动 或采样器不稳定引起的误码造成的干扰。Ｃ语言 程序如下： ｃｈａｒｆｉｌｔｅｒ（） ｛ ｃｈａｒ ｉ，ｊ，ｃｎｔ； ｉｎｔ ｓｕｍ＝０； ｅｌ＝ａｂｓ（ｅ）； ｍａｘ（ｅ１）； 需要测量的是０￣Ｃ～１００￣Ｃ的温度，如果用１００ 个数据进行线性拟合，最大偏差量比较大，为此 可以将１００个数据分成三段分别进行最小二乘法 的线性拟合，这样便可以大量减少最大偏差量。 计算结果如下所示： 模型１：０℃一３２℃Ｔ＝２．５７０８Ｒ一２５７．０９８４ 最大偏差量：０．０３８０℃ 模型２：３４℃～６７ ｑＣ ＝２．５９７３Ｒ一２６０．０９５２ 最大偏差量：０．０４０２℃ ｃｈａｒ ｂｕｆＩ８］； ｆｏｒ（ｃｎｔ＝０；ｃｎｔ＜８；ｅｎｔ＋＋） ｛ ｂｕｆ［ｃｎｔ］＝ｒｅａｄ＿ａｄ（）； ｄｅｌａｙ（）； ｝ 模型３：６８ ｃＣ～１００￣Ｃ Ｔ＝２．６２３１Ｒ一２６３．３５０９ 最大偏差量：０．０２６６℃ 自动化 ｝ ｝ 匦 Ｉ圉 国 鼍ｌ ｉ棼ｆ 图４ 系统原理图 ｆｏｒ（ｃｎｔ－１；ｃｎｔ＜７；ｅｎｔ＋＋） ｓｕｍ＝ｓｕｍ＋ｂｕｆ［ｃｎｔ］； ｒｅｔｕｒｎ（ｃｈａｒ）（ｓｕｍ／６）； ） ３系统的工作过程 当测温对象的温度改变时，ＰＴ１００的阻值发 生变化，此时惠斯通电桥会输出相应电压信号， 这个信号与ＰＴ１００的阻值成函数关系。将这个毫 伏级信号经过三运放仪表放大器放大后给ＡＤ芯 片，ＡＤ芯片将模拟量变为数字量并被单片机读 取。单片机从ＡＤ芯片读取芯片后执行滤波程序， 将稳定的数字量通过运算转换为ＰＴ１００的阻值， 而后单片机会根据这个阻值的大小选择相对应的 拟合好线性模型从而算出当前的温度值，最后将 温度数据通过液晶显示器显示出来，而当测量温 度超出范围时，液晶显示器会显示“００”，表示超 出测温范围。 ４结论 ＰＴＩＯ０测温装置原理简单使用可靠方便所以 被大量运用在工业现场，本文提出的ＰＴ１００测温 装置方案，运用了ＰＴ１００的三线制接法，稳定可 靠的三运放仪表放大器电路，基于最小二乘法的 线性拟合方法，以及必要数字滤波程序，从硬件 和软件两方面保证了系统测温的精度。通过实 测，用ＺＸ２１型电阻箱替代ＰＴ１００铂热电阻时其测 得的温度与ＰＴＩＯ０铂电阻分度表标定的温度误差 在０．１ｃＩ＝以内，满足设计要求。 参考文献： ［１］何立民．ＭＣＳ一５１系列单片机应用系统设计系统配置与 接口技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社， １９９０． 图５程序流程图 ［２］姜忠良，陈云秀．温度的测量与控制［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００５． ｆ０ｒ（ｊ＝０；ｊ＜８；ｊ一；） ｛ ｆｏｒ（ｉ＿０；ｉ＜８－ｊ；ｉ＋＋） ｛ ［３］李庆扬，王能超，易大义．数值分析［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００８． 第一作者简介：严长城，男，１９９０年生，江苏兴化人，硕 士研究生。研究领域：轮机自动化。 （编辑：向飞） ｔｅｍｐ＝ｂｕｔ［ｉ］； ｂｕｆ［ｉ］＝ｂｕｔ￣ｉ＋１］； ｂｕｆ［ｉ＋１］＝ｔｅｍｐ； 匿噩 丑
