多路PT100-III型信號轉換模塊

2004年10月A版

摘要： 本文給出多路PT100-III型信號轉換模塊的軟硬件設計。
關鍵詞： 三線制；PT100；MODBUS

引言
PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃~600℃范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以本模塊需要進行非線性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。本模塊采用了軟件查表插值的方法進行校正，最后轉換成III型信號。III型信號是當被測信號從下量程到上量程(0%~100%)變化時，輸出線上對應4－20mA電流的變化。此外模塊還具有MODBUS協議的通訊端口，可以直接和任何MODBUS口連接。

圖1  采樣電路

圖2  主機電路

圖3  D/A電路

系統設計
整個模塊基于AVR新型的Atmega16單片機，采用三線制形式，這樣可以去除導線電阻帶來的零點不準確，經過差分放大電路直接得到0~5V的信號電壓，這樣就可以直接輸入到A/D轉換器。
數據處理部分，將PT100分度表中的每隔10℃的電阻值寫入到閃存中，這樣，將得到電壓值回算到電阻值，這樣進行查表，當電阻位于某一段之間時，再進行線性處理，這樣系統的線性化程度比較高可以達到0.2%。
D/A轉換系統采用373芯片作為鎖存器，采用權電阻網絡進行D/A轉換，這樣可以節省成本，而且精度也可以得到保證。
最后再經過一個電壓電流轉換部分，把信號以III型信號傳送出去，完成模塊的功能。

圖4  V/I轉換電路

圖5  485通訊電路
采樣電路
采樣電路如圖1所示，PT100以三線制接到J0，這樣連接PT100的兩側的導線長度相等，而且分別加在兩側的橋臂上，這樣導線電阻得以消除，當PT100輸出100Ω時可以調節R1的阻值，以調整溫度下限，當溫度范圍是0~300℃時，電橋電壓經過放大后，Anolog0的電壓正好是0~5V，這樣可以完整使用單片機的A/D轉換器的轉換精度。
主機電路
主機電路如圖2。CPU采用Atmega16 ，它自帶8路10位A/D轉換器，轉換速度快，精度高，而且不需要外擴任何器件。74LS138用來譯碼，分別選通各路的鎖存器。采用8MHz的晶振，速度完全可以滿足系統的要求。A/D轉換的參考電壓直接是VCC，這可節省硬件，簡化電路，在對精度要求較高的情況下可以選擇精密穩壓器件，如TL431。
D/A轉換電路
為了節省成本，本系統沒有采用專用D/A轉換芯片，而是運用D/A轉換的原理，利用權電阻網絡進行D/A轉換器，這樣精度可以保證，而且速度比較快，CPU控制也是比較簡單的。電路如圖3所示。
74lS373鎖存器，鎖存CPU每次更新的數據，OE引腳接138芯片的片選信號，LE 下降沿時數據鎖存。
V/I轉換電路
V/I轉換電路如圖4所示，它將A/D轉換后得到的電壓信號，轉換成4-20mA  III型信號輸出。I=V/R3。
RS-485通訊電路
通訊芯片選用MAX485芯片，將收允許和發允許接在一起(見圖5)，用一個口線進行控制，正常情況下，收允許，在需要發送的時候，設為發允許。

圖6  軟件流程

軟件設計
軟件設計是本系統的關鍵，也是與眾不同的地方。一般的鉑電阻轉III型信號的模塊都是采用模擬電路，沒有軟件部分。本系統采用數字化線性校正將大大提高模塊的精度。軟件流程見圖6。軟件分主程序，中斷服務子程序，所有程序均由C語言編寫。程序在ICCAVR6.30調試。

結語
基于單片機的PT100－III型信號轉換模塊具有精度高、可數字通訊、可升級等優點。本模塊已經用于多個火力發電廠煙氣溫度檢測，其中采用III型信號和數字通訊的都有，均取得了良好的效果。