AD7799在熱敏電阻高測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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溫度測(cè)量遍布于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可是要實(shí)現(xiàn)、快速的溫度測(cè)量并非易事。困難的主要原因是溫度信號(hào)本身并不像一般的物理信號(hào)那么容易直接檢測(cè)，并且通常需要以數(shù)字形式保存或記錄溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，這些將涉及到傳感器技術(shù)、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)。本系統(tǒng)中，主要選用24位的AD7799和NTC（負(fù)溫度系數(shù)）玻封熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的快速、高靈敏度和高精度測(cè)量。

1高精度測(cè)溫系統(tǒng)組成

該測(cè)溫系統(tǒng)是"投棄式溫鹽深海流剖面測(cè)量系統(tǒng)"的測(cè)溫部分，采用MSP430為MCU,精密的基準(zhǔn)電壓模塊為A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，同時(shí)也為熱敏電阻電橋提供激勵(lì)源，AD7799的第3通道為測(cè)溫通道，其余2通道用于測(cè)量其他參數(shù)。MCU將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485發(fā)送給工作站。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2高精度測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1AD7799及其應(yīng)用

AD7799均為適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲16位/24位Σ-Δ型ADC,其中含有3個(gè)差分模擬輸入，還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號(hào)。當(dāng)增益設(shè)置為64、更新速率為4.17Hz時(shí)，AD7799的均方根（RMS）噪聲為27nV.AD7799片內(nèi)特性包括一個(gè)低端電源開(kāi)關(guān)、基準(zhǔn)電壓檢測(cè)、可編程數(shù)字輸出引腳、熔斷電流控制和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器。輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程設(shè)置，可在4.17Hz至470Hz的范圍內(nèi)變化。AD7799采用2.7V至5.25V電源供電，這種器件均采用16引腳TSSOP封裝。如圖2為AD7799的引腳配置。

設(shè)計(jì)中AD7799通過(guò)SPI串行接口與MSP430單片機(jī)連接，通過(guò)軟件設(shè)置其第3通道為測(cè)溫通道，轉(zhuǎn)換頻率為50Hz,內(nèi)部增益為2可達(dá)到滿意的測(cè)量效果。

AD7799是一個(gè)高精度A/D轉(zhuǎn)換器，為達(dá)到理想的使用效果，在具體設(shè)計(jì)中需要注意：A/D模擬輸入端一般在緩沖器模式，以增加A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，減少信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)結(jié)果的影響；輸入端采用全差分模式，避免AIN-接地，減少地線噪聲干擾；差分信號(hào)線要短且對(duì)稱；數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開(kāi)，避免相互交疊；信號(hào)線盡可能走焊盤(pán)面；AD7799的GND引腳和REFN-均與模擬地相連，數(shù)字地和模擬地應(yīng)在同一點(diǎn)相連，AD7799位于這個(gè)連接點(diǎn)的上方；數(shù)字電源、模擬電源和參考電源相互隔離，并且都要用10μF鉭電容和0.1μ斗F瓷片電容去耦，電容盡量靠近電源引腳。

2.2溫度傳感器及其組成模塊

利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門(mén)。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國(guó)防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門(mén)的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測(cè)量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展。

系統(tǒng)溫度傳感器選用熱敏電阻，熱敏電阻具有以下特點(diǎn)：1）很大的負(fù)電阻溫度系數(shù)，因此其溫度測(cè)量靈敏度高；2）體積小，故熱容量很小，可用于快速變化溫度的測(cè)量；3）響應(yīng)速度快，尤其是珠狀玻封熱敏電阻，其響應(yīng)時(shí)間低于50ms;4）具有很大的電阻值（kΩ級(jí)），因此導(dǎo)線電阻及接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響可忽略。該系統(tǒng)選用MF51型高精度熱敏電阻，溫漂為0.002℃/a.

系統(tǒng)硬件連接如圖3所示，基準(zhǔn)電壓選用ISL21009BFB812Z,該芯片輸出1.250V基準(zhǔn)電壓，精度可達(dá)±0.5mV,溫漂為3ppm/℃，作為AD7799的參考電壓，同時(shí)其輸出電流達(dá)7mA,可為測(cè)溫電橋的激勵(lì)源。測(cè)溫電橋中的3個(gè)電阻與熱敏電阻RT構(gòu)成一個(gè)單臂電橋，熱敏電阻RT隨溫度的變化引起電橋的電位差發(fā)生變化。系統(tǒng)中R1、R2、R3均為7.5kΩ（1/1000）25ppm的標(biāo)準(zhǔn)精密金屬膜電阻，熱敏電阻阻值在3~15kΩ變化（相當(dāng)于溫度在40~-4℃范圍內(nèi)的變化，此為海洋溫度范圍）形成-0.20~0.25V的差分信號(hào)輸出。

3測(cè)溫電路校準(zhǔn)方法

MF51型熱敏電阻的電阻值R與溫度t之間存在著嚴(yán)重的非線性關(guān)系，如圖4所示，因此，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)、計(jì)算所采用的方法也是影響測(cè)溫精度的關(guān)鍵。常見(jiàn)的R-t建模方法有B值法（B為溫度量綱，與熱敏電阻材料有關(guān)）、Steinhart-hart方程法、分段擬合法等，但這些方法都不能滿足測(cè)量精度的要求。

為得到高精度的R-t關(guān)系，設(shè)計(jì)中不是單獨(dú)校準(zhǔn)熱敏電阻，而是采用熱敏電阻與測(cè)溫電路共同校準(zhǔn)的方法，這樣，可以限度減小諸如電橋電阻容差、元器件溫漂、A/D模塊的緩沖電壓失調(diào)等元器件本身的非理想特性所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

利用HJ6A型低溫恒溫試驗(yàn)箱為熱敏電阻提供不同的溫度環(huán)境，在-4~40℃間相對(duì)均勻地取100個(gè)溫度點(diǎn)，記錄此100個(gè)溫度點(diǎn)下熱敏電阻輸出所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，以此為基礎(chǔ)利用插值法，在實(shí)際測(cè)量中MCU根據(jù)即時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換值可計(jì)算得到當(dāng)前溫度值。

該方法雖然需要對(duì)每個(gè)系統(tǒng)都要單獨(dú)測(cè)量大量溫度值和所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，但是系統(tǒng)終的測(cè)量精度僅依賴于后期的校正，避免了器件個(gè)體差異對(duì)精度的影響。

4高精度測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在IAREmbeddedWorkbench開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)編程。單片機(jī)通過(guò)對(duì)AD7799片內(nèi)寄存器的編程，即通過(guò)寫(xiě)其中的寄存器，來(lái)實(shí)現(xiàn)通道選擇、增益選擇、轉(zhuǎn)換速度選擇和A/D轉(zhuǎn)換等功能。不管讀寫(xiě)哪個(gè)寄存器，單片機(jī)都必須先寫(xiě)通信寄存器，以確定下一步是讀或?qū)?，是訪問(wèn)哪一個(gè)寄存器。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

在對(duì)AD7799的參數(shù)配置中，要注意增益倍數(shù)和轉(zhuǎn)換頻率的設(shè)置。增益倍數(shù)越大，A/D轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的位數(shù)就越少；而轉(zhuǎn)換頻率太高，也會(huì)影響器件的精度。因此，根據(jù)基準(zhǔn)電壓計(jì)傳感器的輸出信號(hào)，配置放大倍數(shù)為2;考慮到系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求，將轉(zhuǎn)換頻率配置50Hz,可達(dá)到20位以上的均方值RMS精度。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用HJ6A低溫恒溫試驗(yàn)箱為系統(tǒng)提供多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量精度驗(yàn)證，表1為系統(tǒng)部分測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看出，本系統(tǒng)測(cè)溫精度可達(dá)到0.02℃。

此外，系統(tǒng)還搭載中科院南海所實(shí)驗(yàn)1號(hào)實(shí)驗(yàn)船進(jìn)行了為期1個(gè)月的海上實(shí)驗(yàn)，期間進(jìn)行了3套系統(tǒng)對(duì)海洋剖面參數(shù)的測(cè)量，測(cè)試結(jié)果證明，本系統(tǒng)性能可靠，度高。表2為南海實(shí)驗(yàn)水溫隨深度變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

6結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)溫系統(tǒng)系"投棄式溫鹽深海流剖面測(cè)量系統(tǒng)"的測(cè)溫部分，要求系統(tǒng)必須功耗低、精度