基于鉑電阻的數字溫度測量系統設計

0 引言
在某企業開發的加工控制系統中， 溫度范圍是-100℃～600℃，測量誤差小于1％。針對本系統所需的溫度測量要求，選用了精度高的鉑電阻作為溫度傳感器，模數轉換使用MSP430F149內部的12位分辨率的ADC模塊。溫度測量系統具有低功耗、結構簡單，使用方便，可以擴展成多路溫度測量等優點。

1 硬件設計
根據測試系統所要求的測量范圍，選用的傳感器為鉑電阻PT100，PT100的測量范圍是－200到850，從PT100的分度表可以計算出線性度為，無法達到測量精度的要求，所以需要一個線性補償的信號調理電路，線性補償電路通過采用XTR105芯片，通過溫度測量范圍匹配電阻，從而達到設計要求。AD轉換用MSP430F149單片機內部12位分辨率的ADC。LCD是2行×16列的字符型液晶顯示器。系統的電路框圖如圖1所示。

1．1 MSP430單片機
MSP430是德州公司新開發的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器。具有統一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個12位的模數轉換器、一個看門狗、6路I／O端口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。對于FLASH型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有JTAG調試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內，再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內CPU狀態，以及存儲器內容信息供設計者調試，整個開發都可以在同一個軟件集成環境中進行。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和C語言。
1．2 PT100溫度傳感器
溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它可以通過物體隨溫度變化的某些特性(如電阻、電壓變化等特性)來間接測量，金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現性和穩定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω／℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(-200～650℃)最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用。PT100的溫度／電阻曲線如圖2所示。

按IEC751國際標準，溫度系數TCR=O.003851，Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統一設計型鉑電阻。TCR=(R100一R0)／(R0×100)。PT100與PT1000的標準阻值如表1所示。

溫度／電阻特性公式如下：
-200t0℃ Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
0t850℃ Rt=R0(1+At+Bt2]
其中Rt在t℃時的電阻值，R0在0℃時的電阻值