探针式智能温度控制仪的方案设计和应用范围分析

1 引言

目前工业化作业工作温度非常宽泛，若要准确测量温度需采用智能温度控制仪。因此，该智能温度控制仪以热敏电阻外加恒流源作为温度传感器，将温度信号以电压信号形式采集，经放大A／D转换器转换，传输至单片机处理，便得到温度值，并在数码管上显示。该仪表处理速度快，精度高，应用广泛，诸如高温熔炉、工业冶金、水温测量等领域。

2 系统硬件设计

图1为该系统硬件设计的结构框图，主要由传感器、显示、A／D转换采样、单片机控制单元、串口通信、人机交互等模块组成。

2．1 传感器模块

传感器模块采用PT一100型热敏电阻，其阻值随温度升高而升高，PT-100加恒流源，其测量温度范围受PT一100耐温的影响．范围为一50℃～620℃。PT一100是一个前端为金属，后端为导线的热敏电阻，若将其包裹防腐蚀、耐高温材料，则可将作为探头探进高温熔炉、低温冰窖，实现温度测量。PT-100热敏电阻自带两根导线，将其两线改成四线制测量，可有效消除引线电阻（即将传感器的信号传到远方二次仪表之间的连接导线或电缆）影响，使测量结果更准确。图2为传感器前端接口电路，通过调节器TL43l给电路中的恒流源提供基准电压V-ref为2．49l V（基准电压范围为2．440～2．550 V）。这里选取2．491 V电压，便于后续数字量计算。将基准电源接至放大器0P07，为PT-100提供恒流源。

由于该系统设计采用的PT一100是无源传感器，因此需设计传感器接口电路。该接口电路可提供一个恒流源接入，使阻值转换成电压值。其恒流值为2．491 V，2．5 kΩ≈1 mA。图2中R2为精密电阻，能够提供稳定恒流值，无温漂。并在算法中加入软件滤波，可将外界干扰降至最低。

2．2 A/D转换器采样模块

探针式智能温度控制仪采样模块主要是由基准器件A／D转换器AD623和AD7705组成，由于所采集的温度传感器电压为毫伏级，所以需通过具有放大功能的AD623完成，其电压放大倍数由RC决定，放大倍数G=（100 kΩ/RG）+1。由于传感器输出电压为80～320 mV，基准电压2．491 V，故选取RG为20 kΩ，则放大倍数G≈6。经运放放大，其输出电压信号为0．48～1．92V，完全满足输入电压不高于基准电压的要求。图3为信号放大电路。

2．3 显示模块

如图4所示，在单片机和LED显示之间接入一串入／并出的锁存器74HC595，驱动LED灯。单片机I／O接口控制4个LED数码管的位选，利用三极管的饱和、截止特性。数码管通过4根位选线与接三极管相连。单片机I／0接口向移位寄存器逐位移入8位二进制数，在上升沿信号时，存储器移入1位二进制数。存满后，单片机控制存储器输出8位二进制数，点亮对应数码管，这样可减少单片机资源消耗。

3 系统软件设计

3．1 温度算法

图5为信号变换框图，由电阻值可得数字量，反之单片机对A／D转换器采样的数字量进行处理，可通过公式2．5×（数字量／65．536）计算输入的模拟电压值，逆推出电阻值。由于热敏电阻PT-100阻值与温度具有分段接近线性的特征，并参考PT一100阻值与温度的对照表，将温度值每10℃分作一组与对应电阻值求其斜率，可根据单片机采样的数字量计算出相应的温度值。