应用AD590进行多点温度的精确测量

一、引言

节水园区与生态试验场自动灌溉及数据采集系统是集蒸渗测坑自动灌溉，地下水自动供排系统与地下水消耗量、补给量自动采集，土壤温度的自动采集、数据导入、数据记录、自动分析及网络数据查询等功能于一体的现代化的农业节水自动控制系统。系统中有 480 个点的温度需要采集，点数较多，如果依照传统的点对点采集的方法，对 CUP 的点数要求必然很高，从而导致成本的大幅度提高，针对上述问题我们设计了该多点温度采集系统，在多点温度需要测量的实际情况下，实现了低成本的温度精确测量，大大减少了系统的工程投资。

二、多点温度测量系统的功能要求

采集每个测坑的分层土壤温度并记录到计算机中，传感器布置在各个测坑内，数据线由地下廊道的预留孔引出。温度传感器要求具有很高的抗腐蚀性，能够长期放置于测坑内(保证五年内不因为腐蚀问题更换传感器)。设计方案要保证在传感器安装完成后，传感器数据能够准确传送到上位机的数据采集系统中。

需要进行温度测量的测坑共有 32 个，每个测坑分 5 层布置温度传感器，每一层布置 3 个传感器，总计480 个温度模拟量。要求定时采集所有传感器数据，并将所有数据存入数据库中，为今后的试验分析提供依据。要能够判断明显的传感器故障(如传感器输出超出正常范围)，做出报警并记录相关报警信息。[1]

三、多点温度测量系统的组成及工作原理

依据多点温度测量系统的功能要求，可以得知系统对温度采集的精度要求较高，相比之下对测量的实时性要求不高，同时工程投资要求尽量低。为了在实现系统的功能要求的前提下实现低成本精确测量，我们采用了这样的系统设计方案，即使用性价比较高的 AD590 温度传感器采集温度信号，通过专门开发的 64 选 1信号选通器分时选通不同点的温度信号，结合 CPU 模拟量输入特点选择恰当的信号输入类型提高信号精度，通过程序对采集到的信号进行合理性校验、存储或报警处理。多点温度测量的原理框图如图 1 所示。

1、 性价比较高的温度传感器件的选择

常见的用于温度测量的传感器主要有热电阻、热电偶和半导体集成型温度传感器。传统的温度传感器是利用热电阻做温度敏感元件，虽然具有成本低的优点，输出的电阻值需叠加传输线路的电阻后才能进入信号处理电路，信号处理电路的输入与传输线路长度相关联，而现场测温点离信号处理电路的距离不一，这样不仅会给调试工作带来不变，而且也会影响测量精度。热电偶传感器的输出为微电压信号，在传输过程中易受到干扰，并且需要冷端补偿，导致电路设计复杂[2]。而本系统对测得温度的精度要求较高，且现场测温点到信号处理电路的距离不一，因此选用电流输出型的集成温度传感器 AD590。

AD590 是美国模拟器件公司生产的精度较高、价格较低、不需辅助电源、线性好的单片集成两端感温电流源。其封装及基本电路如图 2 所示。它的主要特性如下：

(1)流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(K)度数，即：

式中：Ir —流过器件(AD590)的电流，单位为μA;

T—热力学温度，单位为 K。

(2)AD590 的测温范围为-55°C～+150°C。

(3)AD590 的电源电压可在 4V～30V 范围内变化，AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不易被损坏。

(4)精度较高，在-55°C～+150°C 范围内，非线性误差为±0.3°C。[3]

由于 AD590 是个温控的恒流源器件，电流大小只与温度大小有关，而与负载大小无关，使用时往往给定负载值，将其转换为电压信号，再换算成电流。图 2 为一最简单的测温电路，根据公式 T=Ir=V0/(R1+R2)求得温度，V0通过测量得到，R1+R2为预置负载值。

2、引入信号选通器实现低成本

(1)引入信号选通器降低成本的的设计思想

该系统中有多达 480 点的温度需要测量，点数较多，如果不加任何处理直接将信号传给 PLC 的 A/D 输入口，那么对 PLC 的模拟量输入点数要求必然很多，系统成本将大幅度提高。由于本系统对温度测量的实时性要求在百秒级，即只要在 1s 内能测量 5 个温度值就可以满足要求，这使通过采用多选一信号选通器降低成本的想法成为可能。将 480点信号平均分成 8 组，每组 60 点，通过分时选通来循环采集 60 点的温度信号，这样 PLC 只需提供 8 个模拟量输入点就可以满足测量要求。通常的模拟量输入输出模块只能带几路输入点，如本系统选用的西门子公司生产的模拟量输入模块 EM231，只带四路模拟量输入点，引入信号选通器后，将所需的模拟量输入模块个数由 120 个减少到 2 个，大大节省了工程投资。

(2)信号选通器的组成及工作原理

信号选通器的功能主要是通过利用九个 3-8 选通集成电路 CD4051 实现的，其中 8 个完成一次选通，第 9 个实现二次选通。每个 CD4051 可选通 8 路信号，选通器共可选通8×8=64 路信号，满足系统循环采集 60 点的温度信号的要求，并留有一定的冗余度，以备破损点的替换之用。

CD4051 相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的 3 位地址码 ABC 来决定。“INH”是禁止端，当 “INH”=1 时，各通道均不接通。此外，CD4051 还设有另外一个电源端“VEE”，作为电平位移使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰-峰值达 15V 的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源 VDD=+5V， VSS=0V，当 VEE=-5V 时，只要对此模拟开关施加 0～5V 的数字控制信号，就可控制幅度范围为-5V～+5V 的模拟信号。

3、模拟量信号输入类型的选择

本系统 PLC 的模拟量输入模块采用的是西门子公司生产的模拟量输入模块 EM231，其输入形式有电压、电流两种形式，各自的满量程输入及分辨率如表 1 所示。

由于 AD590 是个温控的恒流源器件，输出信号为微安级的电流，如果将该电流信号直接的输入 PLC 的 A/D 模块，则由于 A/D 模块对电流信号的分辨率为 5μA 的电流形式的模拟量，那么对应的温度分辨率达到 5°C，满足不了系统的测量精度要求。根据系统要求温度变化大约在-23°C～47°C之间，AD590 工作原理为电流Ir 变化 1μA，相当于温度变化 1K，所以电流变化范围在 250μA～320μA 之间，我们将模拟量输入模块的满量程输入选定为 0～5V，则分辨率为 1.25mV。将该电流加在12k 电阻上产生的电压作为 PLC 的 A/D 模块的输入，PLC 再利用程序根据接受到的电压反推电流，进而得到温度值。这样得到的电流分辨率为 0.14μA，即测量温度可以精确到 0.14°C，可以很好的满足系统精度要求。

4、温度控制子程序的设计

在 PLC 程序中，编写温度控制子程序，用一个定时器，循环定时复位，做成定时执行 存 储 操 作 。 当 定 时 器 输 出 时 ， 从AIW0~AIW14 八个输入通道读取数值，再根据选通信号确定存储单元，存储一组(8个)通道数据，并将选通信号加 1，输出到QB0.0~QB0.5 寄存器单元。对测得的数据进行有效性检验，如果数据有效，将其转化成温度值，否则舍弃。程序框图如图 3 所示。

经过转化得到的已被校验过的温度值放在温度原始数据存储单元，再经过以太网模块传输到控制室的上位机，用于后续处理，或传输给远程控制室进行科学实验。

四、结束语

本文通过采用使用 AD590 温度传感器采集温度信号;通过专门开发的 64 选 1 信号选通器分时选通不同点的温度信号降低系统成本，结合 CPU 模拟量输入特点选择恰当的信号输入类型提高信号精度;通过程序对采集到的信号进行合理性校验、存储或报警处理的系统设计方案，很好的实现了多达 480 点的温度低成本精确测量。但由于 PLC 的模拟量输入模块的阻抗大于 10M ，必将产生一定的电压降，而使 PLC 接受到的电压小于电阻两端的电压，使反推得到的温度值偏小，在今后的研究中可以深入研究，实现压，进一步提高测量的精度。此外工程实际安装过程中发现排线、接地、干扰源等方面对温度测量的精度也有一定的影响，在今后的时间里值得进一步研究。