遠程高精度溫度數據采集系統設計

0 引言

常用的溫度傳感器有熱電阻、集成溫度傳感器和數字式溫度傳感器等多種。熱電阻因其測量精度高，且性能穩定，在高精度溫度測量中占有重要的地位。

通常在傳感器信號經信號調理，采用12bit、16bitAD器件對傳感器的調理信號進行采樣，然后通過查表得到溫度值，但是因為系統噪聲、AD轉換的量化噪聲等的存在，導致測量結果產生誤差。本文利用24bitAD器件ADS1255作為受轉換的核心器件，利用其過采樣技術，去除引起系統通道紋波誤差的模擬濾波結構，大幅度降低系統的測量誤差，系統以鉑熱電阻PT100為溫度傳感器，測量范圍為-50～250℃，測量的分辨率為±0.01℃，高次方程尋根計算時間是毫秒量級。從硬件電路和軟件算法設計上保證了測量精度和可靠性。

1 系統工作原理

系統總體構成如圖1所示，遠程端溫度數據采集硬件原理框圖如圖2所示。PT1000產生的微弱電壓信號經過調理之后送給24bitA/D轉換器ADS1255，32位處理器PIC32MX795讀取電壓值后經過迭代計算出溫度值。時鐘、液晶用以顯示溫度、日期等信息。利用精簡TCP/IP協議棧實現網絡通信，系統通過模擬開關切換可升級為同時采集8路溫度信號，最終將采集的溫度數據經過Internet發送至遠程服務器進行分析和處理。

2 系統硬件設計

2.1 精密恒流源

利用OP97或者OP400運放構成精密恒流源電路，基準電壓由AD公司的ADR434器件提供，該器件溫度穩定性能高。由圖3知，由電阻器R決定恒流電流I=10μA。該電流源的性能受到取樣電阻R1的溫度穩定性的影響，故應認真選擇。

2.2 信號調理電路

信號調理電路如圖4所示。通過外接電阻Rg設置放大電路的增益(G=1+50k/R)。系統的溫度測量范圍是0～200℃，因此對應電阻值范圍為1000～1940.981Ω，對應輸出電壓為10mV～19.41mV，經過前置放大100倍。最后送入A/D轉換器的電壓幅度為1.0～1.941V。

在該系統的信號調理架構中，省掉了濾波器結構，原因在于采用了ADS1255器件，將數字濾波引進溫度數據采集中來，降低系統模擬前端的設計復雜性，完全消除由于模擬濾波器帶來的通帶內紋波等噪聲的影響。從實際實驗的效果來看，采用ADS1255這種過采樣再數字濾波的系統結構可以大幅度降低噪聲，提高測量精度。

2.3 ADS1255轉換電路與TCP/IP通信模塊電路

A/D轉換器采用1通道、24位轉換器ADS1255，微控器選用32位處理器PIC32MX795，連接關系如圖5所示。圖6所示為DP83848的網絡接口。

3 下位機系統軟件設計

熱電阻的阻值和溫度的關系在-200～850℃范圍內，滿足式(1)(2)。

溫度和電阻值之間為非線性關系，傳統的測量方法是將整個溫度測量區間分成若干個近似線性區間，在每一個溫度區間內，電阻值和溫度的關系近似線性，然后通過數值算法進行擬合。但是對于PIC32處理器，利用該處理器的強大的計算能力直接進行高次方程的數值求解應該是首選的方案。

3. 1 利用牛頓迭代法求溫度根

當0℃測量溫度溫度t，即是求方程(3)中f(t)=0的根，其中0℃

3.2 溫度與測量電壓關系式

由精密I=10μA恒流源電路和調理電路可知，A/D轉換器件的輸入電壓為：

U=I×Rt×G (8)

增益G=100，待求解溫度t和系統測量的電壓值U在如下關系：

3.3 溫度數據采集與遠程發送流程

PIC32利用牛頓迭代法實現溫度根的求取，然后通過網絡實現遠程數據發送，工作流程如圖7所示。

4 實驗結果與對比分析

在溫區0～100℃用不同方法進行溫度測量，其中實際溫度由標準鉑電阻溫度計標定。測量結果如表1所示。

直接利用PIC32的計算性能求解鉑電阻物理特性方程的數值根，可以得到較高的精度，并在整個溫度區間有較好的一致性。

5 結論

本文與標準鉑電阻溫度計的對比實驗數據表明，利用24bitA/D過采樣轉換器ADS1255、微控器PIC32MX795及遠程PC機構成的數據采集系統，系統結構穩定可靠;利用PIC32的強大計算性能，直接尋找物理特性方程的根，測量精度優于0.01℃，且一致性很高。