（控制理论与控制工程专业论文）电冰箱检测线温度传感器校验平台设计.pdf

委员： 导 船乙砂茂劳2 卜、他镜鸠言 沈之砝葭 t y ， f 学位论文作者签字玛竭罩签字日期少1 年牛月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 里：! ：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁工些叁 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二伟) 学位论文者签名： 鸸海旱 导师签 签字日期加i1 年年月易日 签字日期年锄乡日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 和环境 温度的 数字量，无须变送电路和a d 转换器，使用极其方便，已被电冰箱生产厂家广 泛采用。 本文设计了一个d s l 8 8 2 0 温度传感器校验平台，将p t l 0 0 测得的温度值作 为标准温度值，校验温度传感器是否合格。由于p t l 0 0 温度测量存在系统误差、 随机误差和粗大误差。为消除系统误差，设计了恒流三线制p t l 0 0 温度转换电 路；由于p t l0 0 的电阻和温度之间不是完全的线性关系，采用线性插值算法对 非线性进行补偿。采用算术平均值法消除随机误差。分别使用格罗布斯准则和 去极值法消除粗大误差，并对两种方法进行了优劣比较，得出使用格罗布斯准 则消除粗大误差，要比去极值法效果更理想。 本系统以p 8 9 l p c 9 3 5 为核心，设计了校验平台的硬件和软件。为方便使用， 采用v i s u a lc + + 6 0 设计了上位机校验结果显示界面。 关键词：d s l 8 8 2 0 ；p t l 0 0 ；温度传感器；检验 c h e c k i n gp l a t f o r md e s i g nf o rt e m p e r a t u r es e n s o r o f r e f r i g e r a t o rd e t e c t i o nl i n e a b s t r a c t t oj u d g ew h e t h e rt h er e f r i g e r a t o ri sq u a l i f i e d ，i ti s n e c e s s a r yt om e a s u r et h e t e m p e r a t u r e so fc h i l l i n gc h a m b e r , f r e e z i n gc h a m b e r , i n l e ta n do u t l e to fc o m p r e s s o r a n dc i r c u m s t a n c ei nt h ep r o d u c i n go fr e f r i g e r a t o r t h ed s 18 8 2 0d i r e c t l yo b t a i n s d i g i t a ld a t ao fc o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e ，w h i c hd o e sn o tn e e dt r a n s m i s s i o nc i r c u i t a n da dc o n v e r t e r t h u si t se x t r e m e l yc o n v e n i e n t ，a n dh a db e e nw i d e l yu s e db vm 锄v r e f r i g e r a t o rm a n u f a c t u r e r s t h i sp a p e rd e s i g n e dad s18 8 2 0t e m p e r a t u r es e n s o rc h e c k i n gp l a t f o r m t e m p e r a ：t l l r e m e a s u r e db yp t l0 0w o r k sa st h es t a n d a r dt oc h e c kt h e t e m p e r a t u r es e a s o r sw h e t l l e r q u a l i f i e d t h ep t l0 0m e a s u r i n gs y s t e mh a ss y s t e me r r o r , r a n d o me r r o ra n dg r o s s e r r o r t or e m o v et h eg r o s se r r o r ，t h es y s t e ma d o p t sc o n s t a n t c u r r e n ts o u r c ea n d t h r e e w i r ef o rp t10 0t e m p e r a t u r ec o n v e r tc i r c u i t b e c a u s eo fn o c o m p l e t el i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep t10 0 t e m p e r a t u r ea n dr e s i s t a n c e ，u s i n gt h el i n e a r i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mt oc o m p e n s a t et h en o n l i n e a r t or e m o v et h er a n d o me i t o r t h ea r i t h m e t i ca v e r a g ev a l u em e t h o di su s e d t or e m o v et h eg r o s se r r o r , t h eg r u b b s c r i t e r i o na n dd e e x t r e m u mm e t h o da r eu s e d b y c o m p a r i n gt w om e t h o d sa n da c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h eg r u b b sc r i t e r i o ni sb e t t e rt h a nd e e x t r e n l u mm e t h o dt o r e m o v eg r o s se r r o r i nt h es y s t e m ，t a k e np 8 9 l p c 9 3 5a st h ec o r ei s d e s i g n e dt 1 1 eh a l d w a r ea n ds o r w a r e o fc h e c k i n gp l a t f o r m ，a n df o rt h ec o n v e n i e n t ，u s i n gt h e s u a lc + + 6 0t od e s i 舯d i s p l a y i n t e r f a c ef o rc h e c kr e s u l t k e y w o r d s ：d s 18 8 2 0 ；p tl0 0 ；t e m p e r a t u r es e n s o r ；c h e c k 本人在两年多的硕士研究生学习期间和撰写学位论文过程中，自始至终得 到导师鲁照权教授的悉心指导和热情关怀。鲁老师严谨求实的治学作风，诲人 不倦的师者风范，宽厚坦诚的待人之道，对教育事业的无私奉献，无时不感染 着我，使我受益匪浅。在此，谨向鲁老师致以最衷心的感谢。 感谢实验室的兄弟姐妹们，他们是郑国俊、余波、毛羽、陈芹、赵伟、凌 虎等等。大家在一起讨论问题，分享思路，创造了一个良好的学术气氛，使我 得到很多帮助。 同时感谢我的两位室友宋刚和郑群，他们在我论文写作期间给了我很多建 议和帮助。在此，祝他们前程似锦、事业有成。 最后感谢我的家人，他们在我的生活和学习上给予了无限的关心和帮助。 感谢所有关心：帮助、支持我的人。 作者：彭海军 2 0 11 年3 月16 日 目录 第一章绪论1 1 1课题背景”1 1 1 1 电冰箱发展过程l 1 1 2世界电冰箱的发展历史1 1 1 3中国电冰箱的发展历史1 1 1 4电冰箱技术未来的发展特点2 1 1 5电冰箱检测线工作原理一2 1 1 6 温度传感器探头3 1 2研究开发温度传感器校验平台的意义3 1 3 本文的主要工作一4 第二章温度传感器校验平台系统结构5 2 1温度传感器校验平台设计方案5 2 2 温度传感器校验平台系统结构5 2 2 1p t l 0 0 标准温度测量5 2 2 1 1p t l 0 0 基本知识5 2 2 1 2p t l0 0 测温原理7 2 2 1 3p t l 0 0 测温的非线性补偿9 2 2 2数字温度传感器d s l8 8 2 0 一9 2 2 2 1 d s18 8 2 0 的特点9 2 2 2 2d s l 8 8 2 0 的存储器1 0 2 2 2 3d s l 8 8 2 0 的r o m 操作命令1 0 2 2 2 4d s l8 8 2 0 的存储器操作命令”1 1 2 2 2 5d s l 8 8 2 0 的操作时序一1 1 2 2 2 6d s l 8 8 2 0 的温度换算”1 4 2 2 2 7d s l 8 8 2 0 与p 8 9 l p c 9 3 5 接口电路1 5 2 2 3p 8 9 l p c 9 3 5 系统组成一15 2 2 3 1p 8 9 l p c 9 3 5 概j 苤15 2 2 3 2串口通信17 2 2 3 3存储芯片18 2 2 3 4 数码管显示”1 9 2 2 3 5p 8 9 l p c 9 3 5 系统其它部分一2 1 2 3 2 4 2 4 2 4 2 4 2 5 2 5 3 2 2 系统误差一2 8 3 2 3粗大误差2 9 3 3 小结3 6 第四章上位机软件设计3 7 4 1串口通信基本知识3 7 4 2串口通信实现3 9 4 3 上位机设计4 2 4 4 小结4 3 第五章实验结果”4 4 5 1p t l 0 0 标准温度测量结果“4 4 5 2温度传感器校验平台校验结果一4 9 5 3小结5 3 第六章总结与展望5 4 6 1论文总结5 4 6 2后续的工作展望”5 4 参考文献”5 6 攻读硕士学位期间发表的论文5 9 插图清单 2 1 温度传感器校验系统框图”5 2 2p t l 0 0 电阻一温度关系曲线：6 2 3p t l 0 0 测温框图7 2 4p t l 0 0 三种接线方式7 2 5p t l 0 0 恒流三线制测温原理图8 图2 6d s l 8 8 2 0 初始化时序1 2 图2 7d s l 8 8 2 0 写时序一1 3 图2 8d s l 8 8 2 0 读时序1 3 图2 9d s18 8 2 0 与p 8 9 l p c 9 3 5 接口电路15 图2 1 0p 8 9 l p c 9 3 5 振荡器控制图”1 6 图2 1 1m a x 2 3 2 电平转换电路原理图1 8 图2 1 2 单片机与存储芯片连接图1 9 图2 1 3 数码管显示电路”2 0 图2 1 4 继电器控制电路2 1 图2 1 5 按键电路2 1 图2 16 电源电路2 1 图2 1 7 系统实物图一2 3 图3 1 准确度、精密度和精确度2 5 图3 2 运用算术平均值消除随机误差软件流程图2 6 图3 3 去极值法消除粗大误差软件流程图一3 0 图3 43 0 准则软件流程图3 1 图3 5 罗曼诺夫斯基准则软件流程图3 2 图3 - 6 格罗布斯准则软件流程图一3 4 图3 7 狄克松准则软件流程图3 6 图4 1 上位机显示界面”4 3 图5 1 当t = 2 0 时，温度传感器校验平台校验结果5 0 图5 2 当t = 1 0 时，温度传感器校验平台校验结果一5 0 图5 3 当t = 0 时，温度传感器校验平台校验结果5 1 图5 4 当t = 1 0 时，温度传感器校验平台校验结果5 1 图5 5 当t = 2 0 时，温度传感器校验平台校验结果5 l 图5 - 6 当t = 3 0 时，温度传感器校验平台校验结果一5 2 图5 7 当t = 4 0 。c 时，温度传感器校验平台校验结果：5 2 5 8 当t = 5 0 。c 时，温度传感器校验平台校验结果5 2 2 1 2 - 2 2 3 2 ：4 2 - 5 3 - 1 3 2 3 - 3 5 - 1 5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 - 6 表5 7 表5 8 表格清单 p t l 0 0 分度表6 d s l8 8 2 0 温度存储方式1 4 p 8 9 l p c 9 3 5i o 口数目1 6 p 8 9 l p c 9 3 5i o 口配置方式1 7 7 4 l s l 6 4 真值表2 0 t 分布检验系数k ( n ，0 c ) 3 2 格罗布斯准则临界值表3 3 狄克松准则临界值表3 5 当t - 2 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 4 当忙1 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 5 当t = 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 6 当t = 1 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 6 当t = 2 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 7 当t = 3 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 7 当t = 4 0 时，p t l0 0 测量的温度所对应的电阻值“4 8 当t = 5 0 时，p t l 0 0 测量的温度所对应的电阻值4 8 第一章绪论 课题背景 电冰箱发展过程 自然界有冬天和夏天之分，由于冬夏的存在，于是就有冷和热的关系，冷 是同一范畴的物理概念。自然界的气候变化使物体变冷的过程，这种是天 争 然制冷。使用一定的设备，在一定的时间和空间内，以消耗一定的外界功为代 价，将低温物体的热量向高温物体传递，从而获得低温，这种是人工制冷。 利用深井水和天然冰可以降低温度，在很久以前就已经被人们使用。早在 三千多年前的周朝，我国就已经有了“冰窖”，就是所谓的“凌阴 。冬天人们 把自然冰贮藏在那里，到了夏天再取出来用于冰镇酒类或冷藏肉类等。这种方 法很快被传到国外，并得到发展和应用，到了18 2 0 年，人工制冷试验首次获得 成功，并把冰放在具有隔热的箱子里，就成了现代电冰箱制冷的萌芽。 1 1 2世界电冰箱的发展历史 世界上第一台电冰箱是在1 9 14 年由美国卡尔维纳特公司首次制成并投放 市场。在1 9 1 8 年，该公司的工程师e j 科伯兰德制造了第一台家用电冰箱。当 时这种电冰箱采用水冷压缩机和木制外壳，并采用海藻和锯末作为绝热材料， 噪声大、价格贵，结构很不完善。19 2 1 年，美国弗里吉德尔公司制造出第一台 压缩机置于箱体内部的电冰箱，1 9 2 6 年，该公司又用钢板制成冰箱外壳，大大 延长了电冰箱使用寿命。之后，美国通用电气公司发明用氟里昂作为新的电冰 箱制冷剂。 到19 4 4 年，美国已有4 5 家电冰箱生产厂家，年产电冰箱1 2 5 万台。在相 当长的一段时间内，美国的电冰箱生产在世界上一直处于领先地位。二次大战 以后，德、意、英、法、日等国家先后借鉴美国的电冰箱制造技术，很快就形 成了本国的生产体系。特别是在6 0 年代以后，这些国家的电冰箱产业发展十分 迅速，产量大幅度上升。到19 7 1 年，世界电冰箱年产量已达到2 8 8 8 万台。之 后，电冰箱生产开始向高度集中化、专业化、广泛协作化、生产技术现代化发 展，电冰箱产品开始进一步向塑料化、电子化、自动化发展。 扣 1 1 - 3中国电冰箱的发展历史 ，中国电冰箱的发展历史较短。解放前，仅几个大城市能对进口电冰箱进行 维修。解放后，电冰箱维修逐渐成为一批骨干企业。那时家用电冰箱很少，一 般是社会集团、医疗单位使用。我国的第一台电冰箱是在1 9 5 4 年，由沈阳医疗 、 器械厂生产，为开启式2 0 0 l 单门电冰箱。1 9 5 6 年开始，沈阳医疗器械厂、天 津医疗器械厂、北京医疗器械厂( 北京电冰箱厂前身) 都具备了电冰箱的生产能 力，并采用了封闭式压缩机。到1 9 7 7 年，2 4 年累计产量为15 万台，平均年产 6 千台。1 9 7 8 年以来，随着人民生活水平的不断提高，消费观点逐步由“必需 型向“享受型”转变，电冰箱开始进入家庭，为我国电冰箱产业的蓬勃发展 创造了条件。电冰箱生产厂家由1 9 7 8 年的2 0 多家发展到1 9 8 4 年的1 1 6 家。全 国1 0 0 多个电冰箱生产厂家，除了轻工业系统外，有兵器工业部、电子工业部、 航天工业部、机械工业部、医疗器械总公司、船舶部公司所属的厂。近二十年 我国电冰箱产量增长较快，已由l9 7 8 年的2 5 万台发展到l9 8 4 年的5 3 7 万台， 1 9 8 5 年的产量又比1 9 8 4 年增长一倍多，达到1 3 9 万台，1 9 8 6 年产量为2 2 4 万 台。自此，电冰箱行业在中国一直处于快速发展阶段，经过近2 0 年的发展，中 国电冰箱产量已占世界总产量16 的份额，位居全球首位。目前电冰箱在国内 市场已进入成熟期，市场运行的基本特征是相对平稳，不会出现需求上的大起 大落。现在很多知名的电冰箱企业，比如海尔、美的、美菱等，已经开始向海 外市场进军，力争扩大市场份额【l 】。 1 1 4电冰箱技术未来的发展特点 电冰箱制冷工业经过多年发展，已成为成熟的工业体系，它作为日常消费 品的生产部门，一方面有着广阔的市场，另一方面又面临着激烈的竞争。随着 科学技术的发展和电子技术的广泛应用，电冰箱的种类和功能不断增加，实用 性和自动化程度不断提高，能耗不断降低，正朝着更加实用、方便、节能、美 观的方向发展。电冰箱产品的发展特点有： 1 积极采用电子技术，促进产品更新换代。 2 大量采用塑料和各种新材料。 3 向超静音发展。 4 由抗菌保鲜向无菌保质发展。 5 向全“绿色发展”。 6 向品种多、规格齐全、多种容量、多门多温、多功能方向发展。 7 使用更加方便，更加注重产品的实用性【2 1 。 1 1 5电冰箱检测线工作原理 生产好的电冰箱在进行包装前必须进行严格的测试，需要让其试运行几十 分钟甚至数小时，同时检测电冰箱的各个参数，以判断电冰箱是否合格。在国 内，虽然生产电冰箱的企业众多，生产的品种和样式也越来越多，但是，这些 企业所用电冰箱检测线工作原理都是大同小异的。电冰箱在进入检测线后，每 台电冰箱会附带一个移动检测模块。首先进行登录，把电冰箱的基本信息，如 序列号等，传送给固定在这一端的接受模块，一般通过红外传送数据，再由接 受模块把每台电冰箱的信息传送给p c 机。之后电冰箱进入导轨，通电工作。 2 在此期间，移动检测模块会检测电冰箱的各个参数，包括电冰箱冷藏室、冷冻 室、压缩机进气口、出气口和环境温度，以及压缩机功率等参数，因此需要温 度传感器来测量这些点的温度。当电冰箱随导轨传送到检测线另一端，移动检 测模块把测量到的数据通过红外传送给接收模块，最后由接受模块把数据传送 给p c 机，至此完成一台电冰箱的检测。 1 1 6 温度传感器探头 由电冰箱检测线工作原理可以看出，每台电冰箱附带的移动检测模块，至 少需要5 6 个温度传感器，用来测量电冰箱各个点的温度。一般在一条电冰箱 检测线上，少则使用数百只温度传感器，多则使用数千只温度传感器。为方便 温度测量，一般都将温度传感器做成温度探头。早期的用于制冷性能测试的探 头有p t l 0 0 、c u 5 0 、a d 5 9 0 等模拟温度传感器。由于模拟式温度传感器均需要 检测转换电路与a d 转换器，使得电冰箱检测线的制造与维护成本很高，因而 没有被电冰箱制造企业广泛应用。d s l8 8 2 0 的问世给电冰箱检测线上数千点温 度检测提供了极其方便的途径，d s l 8 8 2 0 直接输出相应温度的数字量，无须转 换电路与a d 转换器，使用极其方便，已被电冰箱生产厂家广泛采用。 d s l8 8 2 0 采用“1 一w i r e ”接口，测量温度范围为5 5 + 1 2 5 ，最高温度分辨 率为0 0 6 2 5 ，在1 0 + 8 5 范围内，精度为士o 5 。温度值采用1 2 位二进制数表 示，存储在d s l 8 8 2 0 的两个8 b i t 字节的r a m 中，其中高5 位为符号位，低1 1 位为 温度值。如果测得的温度大于等于o ，高5 位为0 ，将低1 1 位的数值乘0 0 6 2 5 臣p 可得到实际温度值；如果测得的温度低于0 ，高5 位为1 ，将低11 a l f f _ 取反加1 后 再乘0 0 6 2 5 即可得到实际温度值。 用d s l 8 8 2 0 做成的温度探头具有以下特点： 1 d s l8 8 2 0 温度探头是单总线连接方式。它只有三个管脚：电源线、信 号线、接地线，安装时共用电源线和接地线，信号线共同接入测温模块，有利 于现场安装。 2 全数字温度转换和输出，不需要检测电路和a d 转换器，大大减少成本。 3 测量范围广，5 5 + 1 2 5 。电冰箱在长时间工作后，内部温度可以达到 零下3 0 多度，要测量此温度，选用d s l8 8 2 0 完全可以满足要求。 1 2研究开发温度传感器校验平台的意义 一个企业最重要的就是产品的质量，只有严格保证产品的质量，企业才会 有旺盛的生命力，才会有更好的发展，电冰箱企业也是如此。所以，电冰箱在 进行包装前必须进行严格的性能检测，以保证产品的质量。要保证电冰箱产品 的质量，首先就必须保证温度传感器探头是合格的，即保证d s l 8 8 2 0 的测量偏 差不能大于士o 5 。如果连温度传感器都是不合格的，那又怎么能检测电冰箱 的好坏呢。所以，就迫切需要这样一个校验平台，用它来校验温度传感器是否 3 合格。正是在这种情况下，设计了这样一个温度传感器校验平台，来解决这个 问题，具有非常好的市场前景。温度传感器校验平台必须具备判断准确、耗时 间少以及使用方便等特点。 1 3 本文的主要工作 本文针对数字式温度传感器d s l8 8 2 0 设计了温度传感器校验平台，全部工 作包括以下几个方面的内容： 1 d s l8 8 2 0 温度的测量。为了提高校验平台的工作效率，要求一次性可以 校验1 6 个d s l 8 8 2 0 ，因此，采用模拟电子开关c d 4 0 6 7 进行温度检测通道切 换。d s l 8 8 2 0 是单总线数字式温度传感器，对读写数据位有着十分严格的时序 要求，需要严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。由于本设 计选用的单片机在硬件上不支持单总线协议，故采用软件模拟单总线协议，以 完成对d s l 8 8 2 0 的读写操作。 2 p t l 0 0 标准温度的测量。本系统中，p t l 0 0 测量到的温度作为系统的标准 温度，其它待校验的温度传感器d s l 8 8 2 0 测量到的温度值都要和此值进行比 较，以确定温度传感器是否合格。在p t l 0 0 标准温度测量过程中，要想使此值 尽量精确，就要消除测量误差。本文从测量误差的分类、起因、消除方法等方 面进行了较为详细的研究，并运用到系统设计中。由于p t l 0 0 的电阻和温度之 间不是完全的线性关系，本设计采用线性插值算法对非线性进行补偿，以提高 测量精度。 3 上位机软件设计。本系统中，采用v i s u a lc + + 6 0 设计上位机软件，用 来显示测量数据，以及温度传感器d s l 8 8 2 0 的校验结果。通讯采用m i c r o s o f t v i s u a lc + + 的串口通信控件m s c o m m 来实现。该方法使用方便，功能齐全，设 计的上位机软件使用方便，校验结果一目了然。 4 设计一个完整的温度传感器校验平台系统，包括系统的硬件和软件，并 最终做出样机。 4 第二章温度传感器校验平台系统结构 电冰箱冷冻室的温度一般会低于2 0 ，压缩机排气口温度可高达6 0 ，为 了保证检测线上数千只温度传感器测量偏差不大于士o 5 ，必须对d s l 8 8 2 0 至 少在3 0 + 6 0 c 温度范围内进行校验筛选。 2 1温度传感器校验平台设计方案 温度传感器校验平台由酒精恒温槽与温度传感器校验系统构成。酒精恒温 槽模拟不同的被测温度，为系统提供一个合适的环境温度。温度传感器校验系 统框图如图2 1 所示。整个系统是以p 8 9 l p c 9 3 5 为核心，它是一款单片封装的 微控制器，集成了很多系统级的功能部件，这样可以大大减少元器件的数目和 电路板的面积，并降低整个系统的成本。p t l0 0 测温电路为整个校验平台提供 标准温度值，此温度值要尽量精确，使测量误差减少到最小。d s l8 8 2 0 为各个 待校验温度传感器，本系统一次可以检测1 6 个d s l 8 8 2 0 ，提高系统工作效率。 继电器接口用来控制酒精槽制冷、制热工作，为传感器模拟3 0 + 6 0 c 范围的工 作温度。显示部分采用七位数码管，用来显示标准温度值、待校验温度传感器 的测量值、二者偏差等数据。存储芯片主要用来保存p 8 9 l p c 9 3 5 测量到的各种 数据，一般选用1 2 c 口串行存储芯片。串口通信，通过采用v i s u a lc + + 6 0 设 计上位机，用来显示各个测量数据和校验结果，使人一目了然。设计若干个按 键，用来实现系统的模式选择、开始、停止等功能。 p t l 0 0 譬刊苎竺l 1 测温电路i 7 ：匣 d s 1 8 个b 2 ，。 p 8 9 l p c 9 3 5 ：j 存储芯片 继电器 接口 ：| 串口通信 图2 1 温度传感器校验系统框图 2 2温度传感器校验平台系统结构 2 2 1p t l 0 0 标准温度测量 2 2 1 1p t l 0 0 基本知识 由于传统的温度传感器响应慢、精度低、可靠性差，已不能适应现代工业 的发展，伴随着传感器技术和电子测量技术的迅速发展，以单片机为主的嵌入 式系统得到了广泛的应用。目前在工业生产现场应用最广泛的温度传感器是热 电偶和热电阻，其中，铂热电阻p t l 0 0 就是应用最为广泛的温度传感器之一。 5 墨= r 1 + 彳，+ 研2 】( 2 2 ) 在式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中，r 。为温度t 时对应的电阻值，r o 为温度0 。c 时的电阻 值，r o = 1 0 0 f 2 。a 、b 、c 为常数，a = 3 9 6 8 4 7 1 0 一；b 一5 8 4 7 * 1 0 ；c 一4 2 2 1 0 1 2 ； 在2 0 0 6 5 0 c 温度范围内，p t l0 0 的电阻一温度关系的线性度非常好，已经 非常接近于直线，它的电阻一温度关系曲线如图2 2 所示。 o ) ji 6 0 0 5 0 0 ； 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 一1 0 0 2 一o o 币 1 0 0 2 0 0 图2 2p t l 0 0 电阻一温度关系曲线 表2 1p t l 0 0 分度表 温度 ol234 5 67 89 电阻值q 3 08 8 2 28 7 8 38 7 4 38 7 0 48 6 6 48 6 2 5 8 5 8 58 5 4 68 5 0 68 4 6 7 2 09 2 1 6 9 1 7 79 1 3 7 9 0 9 89 0 5 99 0 1 98 9 8 08 9 4 08 9 0 l8 8 6 2 1 09 6 0 9 9 5 6 99 5 3 0 9 4 9 1 9 4 5 29 4 1 2 9 3 7 59 3 3 49 2 9 59 2 5 5 o1 0 0 0 0 9 9 6 l9 9 2 2 9 8 8 3 9 8 4 4 9 8 0 49 7 6 59 7 2 69 6 8 79 6 4 8 o1 0 0 0 0 1 0 0 3 91 0 0 7 81 0 1 1 71 0 1 5 61 0 1 9 5 1 0 2 3 41 0 2 7 31 0 3 1 21 0 3 5 1 l o1 0 3 9 0 1 0 4 2 91 0 4 6 81 0 5 0 71 0 5 4 6 1 0 5 8 51 0 6 2 41 0 6 6 31 0 7 0 21 0 7 4 0 2 01 0 7 7 91 0 8 1 8 1 0 8 5 7 1 0 8 9 61 0 9 3 51 0 9 7 31 l o 1 21 1 0 5 11 1 0 9 01 1 1 2 8 3 01 1 1 6 71 1 2 0 6 1 1 2 4 5 1 1 2 8 31 1 3 2 21 1 3 6 l1 1 3 9 91 1 4 3 81 1 4 7 71 1 5 。1 5 4 01 1 5 5 41 1 5 9 3 1 1 6 3 l1 1 6 7 0 1 1 7 0 81 1 7 4 71 1 7 8 51 18 2 4l l8 6 21 1 9 0 l 5 01 1 9 4 01 1 9 7 8 1 2 0 1 61 2 0 5 5 1 2 0 9 31 2 1 3 21 2 1 7 01 2 2 0 91 2 2 4 71 2 2 8 6 6 01 2 3 2 4 1 2 3 6 21 2 4 o l1 2 4 3 91 2 4 7 71 2 5 1 6 1 2 5 5 41 2 5 9 21 2 6 3 11 2 6 6 9 6 p t l0 0 的电阻与温度的具体对应关系可以由p t l0 0 分度表来表示。本系统 中，需要检测的环境温度为3 0 6 0 。c ，这个温度范围内的p t l 0 0 分度表可以由 表2 1 所示【4 - 5 1 。 2 2 1 2p t l 0 0 测温原理 p t l 0 0 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量电阻，温度的变化引 起电阻的变化，将电阻的变化转换成电压信号，经放大后，再将模拟电压信号 转换成数字信号，最后由单片机换算成相应的温度。p t l 0 0 测温框图如图2 3 所示。 图2 - 3p t l 0 0 测温框图 p t l 0 0 铂热电阻的使用，一般有三种接法，分别是二线制接法、三线制接 法和四线制接法，如图2 4 所示， ( a ) 二线制 匠一蝰 图2 _ 4p t l 0 0 三种接线方式 二线制接法如图2 - 4 ( a ) 所示，是通过p t l 0 0 两端各连接一根导线的方式引 出电阻信号，这种引线方式十分简单。但是，由于存在引线电阻的原因，只适 用于测量精度较低的场合。 三线制接法如图2 - 4 ( b ) 所示，是在p t l 0 0 的一端引出一根导线，而另一端 引出两根导线。这种接法可以较好地消除引线电阻的影响，也是工业控制中较 为常见的方式。 四线制接法如图2 - 4 ( c ) 所示，是在p t l 0 0 的两端都引出两根导线。其中两 根导线用于将电阻信号转换为电压信号，另外两根导线负责将电压信号送入下 一级处理单元中。由于四线制可以有效地消除引线电阻的影响，因此常用于测 量精度非常高的场合【6 罐】。 如果从精度上来说，四线制接法效果最好，但是也带来成本的增加。二线 制接法最简单，成本最低，但相对而言，精度也最低。本系统中，由于p t l 0 0 测量温度的距离很短，可以将引线电阻忽略不计，所以p t l 0 0 测温采用三线制 接法完全可以满足系统要求。 7 p t l 0 0 恒流三线制测温原理图如图2 5 所示。在图中，l m 3 3 4 为恒流源， 外加二极管和电阻，就可以为p t l0 0 提供恒定的电流，调节电位器r 3 ，即可改 变电流大小 9 - 1 0 】。当温度改变时，p t l 0 0 电阻改变，恒定电流流过p t l 0 0 ，引起 电压变化。m c l 4 0 3 为基准电压源，提供2 5 v 精密电压，经电位器分压后送入 运放作为调零信号。前端测得电压值经过运放o p 0 7 放大，送入a d 转换器， 转换成数字信号，最后由单片机换算成温度值，即可以实现温度的测量。本系 统中，a d 转换器采用p 8 9 l p c 9 3 5 自带的a d ，这样可以减少外部器件，节约 成本，因此图中a d 端直接连到p 8 9 l p c 9 3 5 的a d 引脚p 1 7 。 图2 - 5p t l 0 0 恒流三线制测温原理图 p t l 0 0 在进行测温之前，必须要经过两个调试步骤：调零点和调增益。调 零点包括调运放的零点和调温度的零点。调运放的零点是指将jp t l 0 0 的1 号 脚与b 点短接后，调节运放的调零电位器r t ，使运放的输出为零；调温度的零 点是指，用标准电阻箱替代p t l 0 0 ，将其阻值打在1 0 0 f 2 上，调节r 3 ，使a 点 电压为0 3 v ，即恒流源为3 m a ，再调节r 5 ，使b 点电压也为0 3 v ，此时温度 显示值为零。调增益是指，当需要测量的最大温度，本设计为6 0 ，对应p t l 0 0 电阻值为1 2 3 2 4 q ，将标准电阻箱打在1 2 3 2 4 q 上，调节电位器r 10 ，使c 点 电压为p 8 9 l p c 9 3 5 内部a d 参考电压3 3 v ，温度显示值为6 0 。c 1 1 - 1 3 】。 p t l 0 0 测量的温度为3 0 6 0 时，对应的电阻值为8 8 2 2 1 2 3 2 4 q ，对应的 运算放大器o p 0 7 的输出即c 点电压为o 3 3 v ，由于a d 转换器为8 位，故对 应于转换后的数字量为0 0 f f h 。在此温度范围内，当认为p t l0 0 的电阻和温度 之间为线性关系时，利用单片机就可以很容易地换算出p t l 0 0 温度值。设a d 转换后的数字量为r e s u l t ，p t l0 0 温度值为t ，根据上面的线性对应关系，可以 得到 t ：9 0 x r e s u l t 一3 0 ( 2 3 ) = 一一 ，一- 2 5 5 、。 根据式( 2 3 ) ，就可以很容易地算出p t l 0 0 温度测量值。由于测量的温度范 围为3 0 6 0 。c ，a d 转换器为8 位，故p t l 0 0 的测量精度为二兰o 3 5 3 。 在p t l 0 0 测温过程中，由于各种原因，测量结果和真实值之间总会存在一 定的差异，即测量误差，使得测量结果不能客观地反映实际温度。本系统中， 将p t l 0 0 测得的温度作为系统标准温度，其它待校验的d s l 8 8 2 0 测得温度都需 要和此值进行比较，因此，此值要尽量精确，必须将它的测量误差减到最小， 这就需要选择合适的误差分析和消除方法，这部分将在第三章中详细介绍。 2 2 1 3p t l 0 0 测温的非线性补偿 在3 0 6 0 温度范围内，虽然p t l0 0 的电阻与温度之间线性度非常好，但 是它们之间并不是完全的线性关系。因此，本系统中，为了提高p t l 0 0 测量精 度，需要进行非线性补偿，通常采用查表法和线性插值算法。 查表法是指在单片机的r o m 存储区中建立一个电阻与温度之间的分度表。 当测量温度时，先计算p t l 0 0 阻值，然后去查询分度表获得该阻值所对应的温 度值。显而易见，在测量的范围内，要想得到较高的精度，则标定的点数设置 越多，表格就会越大，占用r o m 存储空间也会越大，查找速度越慢。 在数据量比较大的情况下，通常采用线性插值算法。这种方法是通过已知 p t l0 0 分度表中的数据，将温度与电阻之间的曲线分成相应的几段。然后，找 到一个最佳的函数关系式来表示各段曲线上p t l0 0 的阻值与温度之间的关系。 由于每个区间段都用了一个函数解析式来进行描述，因此这种方法在程序设计 时十分方便悼1 7 】。本设计中，p t l 0 0 测温采用线性插值算法进行非线性补偿。 在3 0 6 0 温度范围内，将p t l 0 0 的温度与电阻之间的曲线分成3 段，每 3 0 分为一段。每一段的温度与电阻之间为线性关系，如下所示： 当3 0 _ t 0 ，即8 8 2 2 冬r s l o o 时， t = 2 5 4 7 木r 一2 5 4 6 7 ( 2 - 4 ) 当0 t _ 3 0 ，即1 0 0 r _ 1 1 1 6 7 时， t = 2 5 7 1 木r 一2 5 7 0 7 ( 2 5 ) 当3 0 t 6 0 ，即1 1 1 6 7 r 1 2 3