分布式熱電阻溫度采集系統設計

摘要:基于MAX31865數字轉換器設計一套嵌人式溫度采集系統,實(shí)現熱電阻溫度傳感器信號的采集。為減少引線(xiàn)電阻對測量結果的影響，采用三線(xiàn)制接線(xiàn)方式。分布式熱電阻信號經(jīng)過(guò)數字轉換器轉換成數字信號,通過(guò)申行外設接口傳送至單片機,實(shí)現溫度的測量。該溫度采集系統具備6路熱電阻傳感器信號采集、處理及顯示功能。試驗測試表明:開(kāi)發(fā)的系統測量精度高,工作穩定可靠,滿(mǎn)足使用要求。
0引言
       溫度是過(guò)程控制系統中重要的被控變量之一。熱電阻是工業(yè)中進(jìn)行溫度檢測常用的元件之一,反應快,時(shí)間間隔相對較小,具有較高的精度、較好的長(cháng)期穩定性,測溫范圍廣，工作范圍為-200~850℃可測特定部位或狹小場(chǎng)所的溫度,對溫度的調節、控制、放大等很容易進(jìn)行。熱電阻傳感器(resistancetemperaturedetector,RTD)基于電阻隨溫度的變化而改變的特性進(jìn)行溫度測量。鉑或銅等正溫度系數熱電阻具有較好的穩定性、線(xiàn)性輸出特性以及較寬的測溫范圍,得到廣泛應用。采集熱電阻信號,結合遍歷查表法、一次插值法和平滑濾波算法后得出溫度;使用C8051F350芯片完成對熱電阻信號的采集;采用ADC0832為A/D轉換器，設計了一個(gè)檢測范圍為0~600℃的溫度檢測報警電路。MAX31865芯片是一款將熱電阻模擬信號轉換為數字信號的轉換器,具有集成度高、分辨率高及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),還具備故障自診斷功能,適用于對熱電阻信號進(jìn)行處理’。本文中基于MAX31865數字輸出轉換器及單片機設計一套熱電阻傳感器溫度采集系統,以實(shí)現溫度的精度高測量,并在發(fā)動(dòng)機試驗臺架上對該系統的穩定性進(jìn)行驗證。
1系統整體結構設計
       基于熱電阻傳感器以及MAX31865數字輸出轉換器設計一套溫度信號采集、處理及通信檢測系統，包括溫度傳感器、單片機、MAX31865數字輸出轉換器等,系統結構如圖1所示。熱電阻傳感器的電阻隨溫度改變，傳感器信號連接至MAX31865芯片。單片機依次控制各MAX31865芯片的使能端,實(shí)現溫度信號至數字信號的轉換,基于串行外設接口(serialperipheralinterface,SPI)總線(xiàn),按照MAX31865傳輸協(xié)議得到各傳感器的溫度。采集系統通過(guò)RS-485通信將溫度實(shí)時(shí)傳給上位機，實(shí)現溫度的顯示。

2系統硬件結構設計
2.1熱電阻信號處理電路
       系統的硬件部分包括熱電阻處理電路、單片機及周?chē)娐?、電平轉換電路和485通信電路等。本采集系統由6路電阻處理電路及其周?chē)娐方M成,可同時(shí)采集并處理6路電阻信號,使用MAX31865數字輸出轉換器處理熱電阻模擬信號，該芯片內置15位模/數轉換器,其精度可達0.5℃,并且具有±50V的過(guò)壓保護輸人,提供可配置的熱電阻及電路開(kāi)路、短路故障檢測、SPI兼容接口以及相關(guān)的控制邏輯電路。每路熱電阻信號處理電路如圖2所示。圖2中PT100為鉑熱電阻,即0℃時(shí)的電阻為100Ω。根據MAX31865芯片手冊推薦,參考電阻應選擇RTD0℃電阻的4倍。因此,PT100的參考電阻選用400Ω。熱電阻采用三線(xiàn)制接線(xiàn)方式，為補償導線(xiàn)上電阻的壓降1-12]，從差分輸人(RTDIN+和RTDIN-)中減去FORCE+和RTDIN+的電壓,利用FORCE2引腳對電阻輸人進(jìn)行采樣。熱電阻產(chǎn)生的模擬信號輸人至處理電路,數字輸出轉換器采集并處理熱電阻產(chǎn)生的模擬信號。

2.2單片機及周?chē)娐?br />        分布式熱電阻溫度采集系統采用MC9S08DZ60單片機進(jìn)行信號處理。該單片機具有8位HCS08中央處理器,最高可配置20MHz總線(xiàn)時(shí)鐘,支持最多32個(gè)中斷/復位源，配置60KiBFlash存儲器,最大2KiB的帶電可擦可編程只讀存儲器(eletricallyerasableprogrammablereadonlymemory，EEPROM)在線(xiàn)可編程內存,最多可提供53個(gè)通用I/O管腳和1個(gè)專(zhuān)用輸人管腳,管腳和片上外圍設備(定時(shí)器、串行I/O、ADC、MSCAN等)共享,以及SPI模塊提供微控制單元(microcontrollerunit，MCU)和外圍器件間的全雙工、同步和串行通信,滿(mǎn)足裝置的功能需求。
       單片機及周?chē)娐啡鐖D3所示,分為SPI通信電路、RS485通信電路和單片機周?chē)娐返?。單片機周?chē)娐钒ǚ澍Q器及液晶顯示器(liquidcrystaldisplay,LCD)燈電路,通過(guò)聲音及LCD燈的亮滅狀態(tài)可判斷系統工作狀態(tài)及故障情況。

2.3電平轉換電路:
       由于熱電阻處理電路采用的MAX31865芯片的工作電壓為3.3V,故需將5V電源電壓轉換為3.3V.SN74LVC4245A具有三態(tài)輸出的8路總線(xiàn)收發(fā)器和5.5V一3.3V雙電源電平移位器。芯片分為A和B2組,一組輸人,一組輸出。其中A組支持1.5~5.5V電壓,B組支持1.5~3.6V電壓,A組供電電壓大于B組。該芯片可實(shí)現5.5V一3.3V的電平轉換,能夠通過(guò)程序控制引腳實(shí)現轉換方向的反轉,電平轉換電路如圖4所示。74LVC4245的電平移位在其內部進(jìn)行,雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達到滿(mǎn)電源幅值13-141,并且有很好的噪聲抑制性能
:

2.4RS一485通信模塊
        為了便于熱電阻溫度采集系統與上位機或其他系統關(guān)聯(lián),通過(guò)通信方式傳遞數據;考慮本系統對通信距離有一定要求,所以采用RS-485通信模塊,實(shí)現熱電阻溫度采集模塊與上位機或其他系統之間的數據傳輸，RS一485是由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )制定并發(fā)布的串行數據通信接口標準,具有傳輸距離長(cháng)、速度高、電平兼容性好、使用靈活方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[17-18],數據傳輸速率最高達到10MB/s,但僅在距離較小時(shí)可實(shí)現最大傳輸速率,當傳輸距離增大速率將隨之減小191。RS-485通信電路如圖5所示，圖5a)為雙通道數字隔離器及周?chē)娐?用于隔離收發(fā)信號;圖5b)為驅動(dòng)器收發(fā)器集成芯片及周?chē)娐?圖5c)為光電耦合器及周?chē)娐?用于隔離對RS-485通信電路的控制信號。通信電路接口采用的是差分接收器和平衡驅動(dòng)器組合的方式,抗共模干擾能力較強。

3系統軟件設計
3.1RTD至數字輸出轉換器工作過(guò)程
       熱電阻在測量溫度時(shí)接線(xiàn)方式有二線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制2”,本系統中熱電阻采用三線(xiàn)制接線(xiàn)方式。在程序中配置MAX31865各寄存器的值,在進(jìn)行溫度轉換時(shí)系統可通過(guò)向配置寄存器D7位寫(xiě)1使能VBIAS。配置寄存器D6位為1時(shí)選擇自動(dòng)(連續)轉換模式時(shí),VBIAS保持有效狀態(tài);系統向該位寫(xiě)人0,退出自動(dòng)轉換模式,進(jìn)入“常閉”模式，該模式下可發(fā)送單次轉換命令。由于使用三線(xiàn)RTD連接,配置寄存器D4位為1。向D5、D3和D2位為0的同時(shí)向故障狀態(tài)清零(D1)位寫(xiě)人1,將使故障寄存器的全部故障狀態(tài)位(D[7:2])清零。
       熱電阻輸人采集模塊采用MAX31865芯片內部的15位ADC進(jìn)行模數轉換,轉換得到的數字信號存放在兩個(gè)8位寄存器中,高8位地址為0x01,低8位地址為0x02,其中低8位寄存器的最低位DO位為錯誤標志位。熱電阻信號采集流程圖如圖6所示,轉換模塊在操作狀態(tài)下采集模擬信號,通過(guò)使能片選信號(chipselect,CS)來(lái)選擇某個(gè)通道，隨后通過(guò)程序由單片機向MAX31865芯片發(fā)送讀寄存器的指令,轉換芯片收到指令后開(kāi)始讀取熱電阻寄存器中存儲的數值,若讀取到低8位寄存器的D0故障位置位時(shí),該通道故障，則將故障寄存器置位后將故障寄存器數值發(fā)送至單片機;若無(wú)故障,則將處理后的數字信號通過(guò)SPI發(fā)送傳至單片機,由單片機進(jìn)行計算得到當前熱電阻所測溫度,該通道熱電阻信號采集結束。計算得到的溫度可通過(guò)RS一485通信模塊上傳至上位機,由上位機做進(jìn)一步的數據分析。

鉑熱電阻的電阻與溫度的關(guān)系可用CallendarVanDusen方程表示[21為:
R(t)=R0(1+αt+bt²+c(t-100)t³)，(1)
       式中:t為溫度;R(t)為溫度t時(shí)熱電阻的電阻;R0為t=0℃時(shí)熱電阻的電阻;a、b、c為系數,其中α=3.90830×10^-3,b=-5.77500×10^-7，當-200℃≤t≤0℃,時(shí)c=-4.18301×100^-12;當0℃≤l≤850℃時(shí),c=0。
在RTD的電阻已知且電阻特性定義良好的情況下,可通過(guò)式(1)確定溫度。
       MAX31865芯片可實(shí)現熱電阻或電路連接故障的檢測,若在采集及處理信號過(guò)程中出現故障,則系統會(huì )停止工作并將故障信息一并發(fā)送至單片機,故障檢測流程圖如圖7所示。

       芯片在任意時(shí)間始終激活對FORCE+、FORCE2、RTDIN+、RTDIN-或FORCE-引腳的電壓檢測,具有高達+50V的輸入電壓保護。由圖6a)可知,在任意時(shí)間點(diǎn)檢測到發(fā)生過(guò)壓(大于VDD)或欠壓(小于GND1),開(kāi)關(guān)開(kāi)路,故障狀態(tài)寄存器的D2置位,模數轉換(analogtodigitalconverter,ADC)中止數據轉換更新,直到故障解除后恢復轉換。芯片在每次進(jìn)行ADC轉換時(shí)對檢測結果進(jìn)行檢測,由圖6b)可知，ADC啟動(dòng)轉換后執行對模擬信號的轉換，在檢測到轉換數據大于或等于轉換結果上限時(shí)將故障狀態(tài)寄存器的D7置位,小于或等于轉換結果下限時(shí)將故障狀態(tài)寄存器的D6置位，所有故障信息在LSB寄存器
D0置位后將信息傳輸給單片機。
3.2單片機軟件設計
       系統通電后,單片機首先完成系統初始化,包括時(shí)鐘初始化、定時(shí)器初始化、I/O口初始化等;系統按照程序設定完成初始化后,進(jìn)入正常工作模式。單片機依次使能各通道的CS信號,通過(guò)SPI通信從MAX31865數字輸出轉換器得到溫度數據，并通過(guò)RS-485通信方式將各路溫度數據發(fā)送至上位機,實(shí)現上位機的溫度顯示及存儲等操作。
4試驗測試
4.1溫度標定
       在恒溫油槽中對該分布式熱電阻溫度采集系統進(jìn)行標定,在20~120℃,每隔20℃對該溫度采集系統進(jìn)行標定。此次標定中,采用的恒溫油槽適用溫度范圍為(室溫+10℃)~300℃,溫度波動(dòng)范圍為+0.05℃。使用所設計的分布式熱電阻溫度采集系統,在各標定溫度下,使用各通道進(jìn)行測量,得到各標定點(diǎn)溫度下6個(gè)通道的溫度如表1所示。由表1可知,各標定點(diǎn)工況下,該系統各測試通道的最大溫度偏差均在0.5℃以?xún)?系統各通道一致性較好。

4.2試驗測試
       采用該測試系統對某公司生產(chǎn)的140柴油機進(jìn)行性能測試試驗,發(fā)動(dòng)機轉速為2100r/min,扭矩不同時(shí),分布式溫度采集系統同時(shí)采集主油道機油溫度、增壓器回油溫度、油冷前機油溫度和油冷后機油溫度,如表2所示。

       柴油機各部位溫度隨扭矩的變化曲線(xiàn)如圖8所示。在研究所用工況下,由圖8可知，隨著(zhù)扭矩的增加,增壓器回油溫度上升幅度最大，當扭矩由500N.m增至2000N.m時(shí),溫度，上升約10℃;上升幅度最小的是主油道機油溫度。

       整個(gè)測試過(guò)程中，系統可以長(cháng)時(shí)間穩定運行,可以實(shí)現精度高的溫度測量,滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的溫度采集要求。
5結論
1)基于單片機和MAX31865數字轉換器設計了一套熱電阻溫度信號采集系統，系統具備六路熱電阻信號采集、處理及通信等功能。
2)單片機依次控制各MAX31865芯片的使能端,實(shí)現溫度信號至數字信號的轉換,基于SPI總線(xiàn)按照MAX31865傳輸協(xié)議得到各傳感器的溫度。
3)采用該系統在發(fā)動(dòng)機臺架上,測量柴油機各處機油溫度,結果表明,本系統工作穩定可靠,滿(mǎn)足臺架測試的要求。