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基于AD7799的热敏电阻高精度测温系统

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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。

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