摘 要： 在研制和開發(fā)水浴溫度控制儀的過程中，由于現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，儀表出現(xiàn)嚴(yán)重的溫漂和時(shí)漂問題，影響了儀表的精度和工作穩(wěn)定性。在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了2個(gè)精密標(biāo)準(zhǔn)電阻，用以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤元器件參數(shù)值的變化，從而有效地解決了系統(tǒng)的溫漂和時(shí)漂問題。該方法增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和抗干擾能力，提高了元器件之間的互換性。
關(guān)鍵詞： 溫度；實(shí)時(shí)跟蹤；溫漂；時(shí)漂
1 系統(tǒng)組成概述
用于檢測潤滑制劑運(yùn)動(dòng)粘度的水浴溫度測控儀，以MCS-51系列的AT89C51為核心，構(gòu)成1個(gè)單片機(jī)測控系統(tǒng)，完成溫度檢測、溫度顯示、數(shù)據(jù)處理及輸出控制。溫控儀可巡回檢測三路溫度信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)檢測點(diǎn)。由鉑電阻溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換，傳送至主機(jī)AT89C51進(jìn)行處理，然后由帶有高速串行接口的8位LED控制驅(qū)動(dòng)器PS7219實(shí)現(xiàn)溫度顯示。同時(shí)，主機(jī)將檢測到的溫度信號(hào)與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)，控制繼電器的閉合。本系統(tǒng)中89C51的P0口作為與A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)接口，采用查詢法讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，而P1口、P2口、P3口除用作特殊功能均可作為可編程的輸入輸出線，無地址總線。這主要是因?yàn)锳T89C51內(nèi)部帶有4 KB的程序存儲(chǔ)器，源程序均在芯片內(nèi)部，無需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器[1-2]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤解決系統(tǒng)時(shí)漂和溫漂的方法
在硬件上，鉑電阻測溫電路和調(diào)理電路的好壞是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的最關(guān)鍵性因素。本文采用恒流源、多路模擬開關(guān)和測量放大器AD620實(shí)現(xiàn)的鉑電阻溫度傳感器的調(diào)理電路，在設(shè)計(jì)過程中嘗試了兩種方案，通過理論分析和實(shí)際測量結(jié)果的比較，最終選用了如下方案，其電路圖如圖2所示。
此方案采用1片8通道多路模擬開關(guān)CD4051、2片雙路4通道多路模擬開關(guān)CD4052和2片測量放大器AD620，R=100 Ω(調(diào)零電阻)。R2~R7=10 Ω，用以消除地端干擾。多路模擬開關(guān)CD4051的通道選擇是通過A(P1.4)、B(P1.5)和C(P1.7)控制的。當(dāng)P1.4=0，P1.5=0，P1.7=0時(shí)，通道1選通，恒流源的電流I通過鉑電阻RA，同時(shí)鉑電阻兩端的電壓通過第2片CD4052以差模的形式取出并送入AD620，經(jīng)兩級(jí)放大后送到A/D，避免了共模干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[3]。
對(duì)于溫度測控系統(tǒng)，傳感器的調(diào)理電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度起著至關(guān)重要的作用。在該系統(tǒng)中，恒流源、基準(zhǔn)電壓源和放大器分別存在著不同的時(shí)漂和溫漂，即便是在選用的器件比較好的情況下，這種漂移很小，但由于系統(tǒng)要長時(shí)間工作，這種日積月累的影響也不能夠忽略不計(jì)。因此在上述基礎(chǔ)上增加了2個(gè)精密標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過它們來動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤恒流源的電流、基準(zhǔn)電壓源的電壓和放大器的放大倍數(shù)變化，去除了漂移對(duì)測量結(jié)果的影響[4]，鉑電阻調(diào)理電路如圖2所示。
在硬件基礎(chǔ)上，此方案的實(shí)時(shí)跟蹤是通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)的，具體方法是首先控制多路模擬開關(guān)，依次選通標(biāo)準(zhǔn)電阻R1，R0，則A/D所對(duì)應(yīng)的電壓輸出分別為Vout1，Vout0。設(shè)恒流源的電流為I，2個(gè)放大器的放大倍數(shù)分別為K1和K2，放大器反相輸入端基準(zhǔn)電壓源的電壓為V-。則有：
3 系統(tǒng)工作穩(wěn)定性測試
為了驗(yàn)證此方案的可行性，在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行不關(guān)機(jī)的情況下，實(shí)際測得了1組數(shù)據(jù)，為了防止鉑電阻阻值隨環(huán)境溫度變化對(duì)測試結(jié)果的影響，僅驗(yàn)證調(diào)理電路的好壞，所以用1個(gè)150 Ω的可調(diào)電阻代替鉑電阻，在100~150 Ω范圍內(nèi)模擬鉑電阻，由對(duì)應(yīng)的1組阻值實(shí)測出1組相對(duì)應(yīng)的溫度值。在此僅以其中的1路溫度信號(hào)來說明，如表1所示。
由表1中的數(shù)據(jù)用最小二乘法求出鉑電阻阻值R與實(shí)測溫度值t之間的關(guān)系式。將測量數(shù)據(jù)列表進(jìn)行處理，如表2所示。
設(shè)R=R0+A×t，應(yīng)用最小二乘法原理求取回歸參數(shù)R0，A，可得：
由以上分析可知，采用此方案提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和抗干擾能力；同時(shí)還提高了元器件之間的互換性，即便是同種型號(hào)的元器件的參數(shù)值也并不是完全一致的。而采用這種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤元器件參數(shù)值的方法，則有效地解除了元器件之間參數(shù)值不一致的問題[6]。
信號(hào)檢測傳感器調(diào)理電路是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)精度的重要環(huán)節(jié)，因此，本方案雖然是以犧牲硬件資源的代價(jià)來改善系統(tǒng)的抗干擾性能和精度，但考慮到現(xiàn)場干擾極大、環(huán)境惡劣的情況下，與其他方案比較起來，顯然是可取的。
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