基于AD7799的热敏电阻高精度测温系统

在海洋调查中，对于温度参数的获取存在环境因素上的特殊性。由于海洋中水团边界相互叠置，同时不同水层有温度梯度等，要求系统具有高灵敏度；在海水的剖面测量中，当在运动的载体上测温(如投弃式CTD等)时，就要求系统传感器有足够的时间常数；而在海洋的一定深度下，温度的差别微乎其微，系统必须具有很高的精度。本系统中，主要选用24位的AD7799和NTC(负温度系数)玻封热敏电阻，实现了对温度的快速、高灵敏度和高精度测量。

1 高精度测温系统组成
    该测温系统是“投弃式温盐深海流剖面测量系统”的测温部分，采用MSP430为MCU，精密的基准电压模块为A／D转换器提供参考电压，同时也为热敏电阻电桥提供激励源，AD7799的第3通道为测温通道，其余2通道用于测量其他参数。MCU将采集的数据通过RS485发送给工作站。其系统框图如图1所示。

2 高精度测温系统硬件设计
2．1 AD7799及其应用
    系统的测温分辨力及精度主要取决于A／D转换单元，这里选用高精度、宽动态范围、3通道24位△-∑型AD7799，该器件有完整的模拟前端，可直接测量传感器输出的微弱信号，转换精度达到24位无误码，采用三线串行口与MCU连接。AD7799具有以下特点：内置1～128增益的低噪声可编程仪表放大器；4．17～470 Hz的可编程输出数据速率；3个差分输入通道；50 Hz和60 Hz同步陷波，消除工频电源干扰；极低的均方根(RMS)噪声；低功耗；采用16引脚TSSOP封装，如图2为AD7799的引脚配置。

    设计中AD7799通过SPI串行接口与MSP430单片机连接，通过软件设置其第3通道为测温通道，转换频率为50Hz，内部增益为2可达到满意的测量效果。
    AD7799是一个高精度A／D转换器，为达到理想的使用效果，在具体设计中需要注意：A／D模拟输入端一般在缓冲器模式，以增加A／D转换器的输入电阻，减少信号源内阻对结果的影响；输入端最好采用全差分模式，避免AIN-接地，减少地线噪声干扰；差分信号线要短且对称；数字电路和模拟电路尽可能分开，避免相互交叠；信号线尽可能走焊盘面；AD7799的GND引脚和REFN-均与模拟地相连，数字地和模拟地应在同一点相连，AD7799位于这个连接点的上方；数字电源、模拟电源和参考电源相互隔离，并且都要用10μF钽电容和0．1μ斗F瓷片电容去耦，电容尽量靠近电源引脚。
2．2 温度传感器及其组成模块
    系统温度传感器选用热敏电阻，热敏电阻具有以下特点：1)很大的负电阻温度系数，因此其温度测量灵敏度高；2)体积小，故热容量很小，可用于快速变化温度的测量；3)响应速度快，尤其是珠状玻封热敏电阻，其响应时间低于50 ms；4)具有很大的电阻值(kΩ级)，因此导线电阻及接触电阻对测量的影响可忽略。该系统选用MF51型高精度热敏电阻，温漂为0．002℃／a。
    系统硬件连接如图3所示，基准电压选用ISL21009BFB812Z，该芯片输出1．250 V基准电压，精度可达±0．5 mV，温漂为3 ppm／℃，作为AD7799的参考电压，同时其输出电流达7 mA，可为测温电桥的激励源。测温电桥中的3个电阻与热敏电阻RT构成一个单臂电桥，热敏电阻RT随温度的变化引起电桥的电位差发生变化。系统中R1、R2、R3均为7．5 kΩ(1／1000)25 ppm的标准精密金属膜电阻，热敏电阻阻值在3～15 kΩ变化(相当于温度在40～-4℃范围内的变化，此为海洋温度范围)形成-0．20～0．25 V的差分信号输出。

3 测温电路校准方法
    MF51型热敏电阻的电阻值R与温度t之间存在着严重的非线性关系，如图4所示，因此，对其进行校准、计算所采用的方法也是影响测温精度的关键。常见的R-t建模方法有B值法(B为温度量纲，与热敏电阻材料有关)、Steinhart-hart方程法、分段拟合法等，但这些方法都不能满足测量精度的要求。

    为得到高精度的R-t关系，设计中不是单独校准热敏电阻，而是采用热敏电阻与测温电路共同校准的方法，这样，可以最大限度减小诸如电桥电阻容差、元器件温漂、A／D模块的缓冲电压失调等元器件本身的非理想特性所带来的系统误差。
    利用HJ6A型低温恒温试验箱为热敏电阻提供不同的温度环境，在-4～40℃间相对均匀地取100个温度点，记录此100个温度点下热敏电阻输出所对应的A／D转换值，以此为基础利用插值法，在实际测量中MCU根据即时的A／D转换值可计算得到当前温度值。
    该方法虽然需要对每个系统都要单独测量大量温度值和所对应的A／D转换值，但是系统最终的测量精度仅依赖于后期的校正，避免了器件个体差异对精度的影响。

4 高精度测温系统软件设计
    系统软件是在IAR Embedded Workbench开发环境下采用C语言对单片机编程。单片机通过对AD7799片内寄存器的编程，即通过写其中的寄存器，来实现通道选择、增益选择、转换速度选择和A／D转换等功能。不管读写哪个寄存器，单片机都必须先写通信寄存器，以确定下一步是读或写，是访问哪一个寄存器。软件设计流程如图5所示。

    在对AD7799的参数配置中，要注意增益倍数和转换频率的设置。增益倍数越大，A／D转换稳定的位数就越少；而转换频率太高，也会影响器件的精度。因此，根据基准电压计传感器的输出信号，配置放大倍数为2；考虑到系统对响应时间的要求，将转换频率配置50 Hz，可达到20位以上的均方值RMS精度。

5 实验结果
    利用HJ6A低温恒温试验箱为系统提供多个温度点进行温度测量精度验证，表1为系统部分测量数据，可以看出，本系统测温精度可达到0．02℃。

    此外，系统还搭载中科院南海所实验1号实验船进行了为期1个月的海上实验，期间进行了3套系统对海洋剖面参数的测量，测试结果证明，本系统性能可靠，精确度高。表2为南海实验水温随深度变化的部分数据。

6 结束语
    该测温系统系“投弃式温盐深海流剖面测量系统”的测温部分，要求系统必须功耗低、精度高。本测温系统充分利用了AD7799的高精度、低功耗、多通道特点，实现了对海洋温度的精确测量，测量精度可达0．02℃，系统分辨率超过0．001℃。经过海上实际环境试验，系统工作可靠。同时本系统结构简单，对于AD7799在测量压力、流量、气体浓度等和应用热敏电阻的高精度测温方面有一定的参考作用。