CN101634595A - 一种高精度铂电阻测温系统及基于该系统的测温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度铂电阻测温系统及基于该系统的测温方法,包括RC振荡器(101)、频率测量芯片(102)、参考时钟电路(103)、单片机(104)、液晶显示器(105)和上位机(106);铂电阻传感器以二线制接法与固定电容一起构成RC振荡器(101),当温度发生变化时,铂电阻阻值跟随变化,导致振荡器的振荡频率发生变化,从而将铂电阻变化调制为时变频率信号,再用频率测量芯片测量该频率变化量,将测量值送入上位机,在上位机中利用高阶多项式完成频率变化到温度变化的解算,实现利用铂电阻的高精度温度测量,本发明具有测温精度高、实现成本低、稳定性好的特点。

Description

一种高精度铂电阻测温系统及基于该系统的测温方法
技术领域
本发明涉及一种温度测量系统,尤其是一种高精度铂电阻测温系统。 背景技术
温度是国际单位制中7个基本物理量之一。标准铂电阻温度计具有高精度、高灵敏 性和高稳定性等特点,因而被广泛应用于智能仪器仪表的温度测量。现有方法大多是先 将电阻变化通过电阻桥转换为电压信号,再经过一系列滤波和放大处理后,送入A/D
转换器完成温度采集。这类方法需要解决好两个问题:(l)由于温度对铂电阻阻值和放
大器带来的影响,系统在环境温度变化时会产生一定的系统误差。在高精确度测量中,
寻找有效的温度补偿方法是需要面临的难题之一。(2)随着测量精度的提高,高分辨率 A/D转换器的价格大增,导致测量仪器成本过高是所面临的另一个问题。
发明内容
本发明设计的目的是针对现有技术的不足,提供一种低成本、高测量精度的铂电阻 测温系统及基于该测温系统的测温方法。
本发明所采用的技术方案是:
一种高精度铂电阻测温系统,包括RC振荡器、频率测量芯片、参考时钟电路、单 片机、液晶显示器和上位机;RC振荡器的输出端与频率测量芯片的输入端连接,参考 时钟电路的输出端与频率测量芯片的时钟端连接,频率测量芯片和单片机通过SPI总线 连接,单片机分别与液晶显示器、上位机连接;所述RC振荡器包括第一电容C1和铂 电阻传感器Rt,其中铂电阻传感器Rt的一端与频率测量芯片的N脚连接,铂电阻传感 器Rt另一端分别与频率测量芯片的P脚、第一电容C1的一端相连,第一电容C1的另 一端接地。
本发明的高精度铂电阻测温系统的单片机与上位机连接方式为无线RS-232串口连
4接方式。
本发明的高精度铂电阻测温系统的参考时钟电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、 第二电容C2、第三电容C3、晶体振荡器X1以及反相器IC1;其中第一电阻R1的一端 与第二电容C2的一端连接,第二电容C2的另一端与晶体振荡器X1的一端连接后接地, 晶体振荡器X1的另一端与第三电容C3的一端连接后接地,第三电容C3的另一端分别 与第二电阻R2的一端、反相器IC1的输入端连接,反相器IC1的输出端分别与第一电 阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、频率测量芯片的CLK脚连接。 本发明的高精度铂电阻测温系统单片机采用C8051F021单片机。 本发明还提供一种基于本发明的高精度铂电阻测温系统的测温方法,包括以下步
骤,
步骤A,根据频率测量芯片电路得到的频率计数值标定高阶多项式系统,具体为:
① 在铂电阻传感器Rt的测温范围内均匀改变恒温槽的温度值,同时分别记录频率 计数值与标准温标测得的温度值,得到两组相对应的频率计数值和标准温度值;
② 采用高阶多项式对①步中得到的两组相对应的频率计数值和标准温度值进行回 归,得到频率计数值与标准温度值的映射关系,求得一组高阶多项式系数;
步骤B,上位机向单片机发送启动采集命令;
步骤C,单片机收到启动采集命令后,打开RC振荡器并开始对震荡频率计数;
步骤D,计数周期结束后,单片机在本地保留计数值,同时也将该计数值发送回上 位机;
步骤E,上位机对该计数值进行IIR滤波后,再通过步骤A标定的高阶多项式系数 解算出实际温度值。
基于本发明的测温方法中采用的高阶多项式是11阶多项式。
其测量结果分两种方式进行显示, 一种以LCD方式在本地显示,另一种通过串口 与上位机连接,在上位机中显示并保存。
有益效果:
本发明的有益效果是:
(1)、铂电阻釆用二线制接法,与固定电容构成RC振荡器,将铂电阻变化量转换为频率信号,解决了传统方法中不平衡电阻桥所带来的非线性问题;
(2) 、铂电阻工作在无源状态,且整个电路有数字芯片组成,免去了温变等不确定 性因素引发的补偿问题;
(3) 、通过测量频率变化量,直接通过高阶多项式解算铂电阻的阻值变化,从而i十 算出被测温度值,省去A/D环节,在高精度测温时大幅降低了设备成本;
附图说明
图l是本发明的结构示意图。
图2是本发明的测温方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施做出进一步说明。图l是本发明的结构示意图。
按照图l连接好电路,本发明的高精度铂电阻测温系统,包括RC振荡器101、频 率测量芯片102、参考时钟电路103和单片机104,液晶显示器105,上位机106, RC 振荡器101包括第一电容Cl和铂电阻传感器Rt,铂电阻传感器Rt采用二线制接法, 其一端与第一电容C1的一端相连,同时又连接到频率测量芯片102的P脚,另外一端 连接到频率测量芯片102的N脚,第一电容C1的另一端接地,频率测量芯片102和单 片机104通过SPI总线连接,参考时钟电路103与频率测量芯片102的CLK脚连接, 单片机104与液晶显示器105连接,与上位机106通过串口连接。
参考时钟电路103包括第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、 晶体振荡器X1以及反相器IC1;其中第一电阻R1的一端分别与第二电阻R2的一端、 第二电容C2的一端连接,第二电容C2的另一端与晶体振荡器X1的一端连接后接i也, 晶体振荡器X1的另一端与第三电容C3的一端连接后接地,第三电容C3的另一端分别 与第二电阻R2的另一端、反相器IC1的输入端连接,反相器IC1的输出端分别与第一 电阻R1的另一端、频率测量芯片102的CLK脚连接。
当温度发生变化时,铂电阻传感器Rt随测量对象的温度变化发生变化导致RC振
荡器101的振荡频率发生变化,从而将铂电阻传感器Rt变化调制为时变频率信号,再
由单片机104控制频率测量芯片102测量该频率变化量,将测量值送入上位机106,在
上位机106中利用IIR滤波器进行滤波后,再用高阶多项式完成频率变化到温度变化的解算,解算出实际温度值。
多项式系数确定方法为:将铂电阻传感器Rt放入标定环境中,在铂电阻传感器Rt
的测量范围内均匀改变恒温槽温度,同时记录频率计数值与标准温标得到的温度值,然 后用高阶多项式对两组数据进行回归,得到计数值与标准温度值的映射关系,从而得到 一组多项式系数,以后测得的新的计数值用该组系数即可算出对应的温度。理论上多项 式阶数越高,精度越高,但资源消耗也越大,本发明采用11阶多项式,不但系统标定、 校准过程简单,还便于软件自动化实现。
下面根据附图2的流程图具体说明该测温方法。 如图2所示,该测温方法包含4个步骤。
步骤201,上位机106向单片机104发送启动采集命令,本发明采取RS232方式连 接上位机106和单片机104,命令帧格式为:起始符,命令字,数据,帧尾,校验字。
步骤202,单片机104收到启动采集命令后,打开RC振荡器101并开始对震荡频 率计数。计数周期由用户指定,周期越长采样分辨率越高,但采样频率会降低。如用户 不指定采样周期,系统提供默认的采样周期为0.2S,可达到相当于24位的釆样分辨率。
步骤203,计数周期结束后,在本地保留计数值,同时也将该计数值发送回上位机
106;
步骤204,上位机106对该计数值进行IIR滤波后,再使用标定好的高阶多项式系 数解算出实际温度值。

Claims (6)

1、一种高精度铂电阻测温系统,其特征在于:包括RC振荡器(101)、频率测量芯片(102)、参考时钟电路(103)、单片机(104)、液晶显示器(105)和上位机(106);RC振荡器(101)的输出端与频率测量芯片(102)的输入端连接,参考时钟电路(103)的输出端与频率测量芯片(102)的时钟端连接,频率测量芯片(102)和单片机(104)通过SPI总线连接,单片机(104)分别与液晶显示器(105)、上位机(106)连接;所述RC振荡器(101)包括第一电容C1和铂电阻传感器Rt,其中铂电阻传感器Rt的一端与频率测量芯片(102)的N脚连接,铂电阻传感器Rt另一端分别与频率测量芯片(102)的P脚、第一电容C1的一端相连,第一电容C1的另一端接地。
2、 根据权利要求1所述的高精度铂电阻测温系统,其特征在于:所述单片机(104) 与上位机(106)连接方式为无线RS-232串口连接方式。
3、 根据权利要求l所述的高精度铂电阻测温系统,其特征在于:所述参考时钟电 路(103)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、晶体振荡器 XI以及反相器IC1;其中第一电阻R1的一端与第二电容C2的一端连接,第二电容C2 的另一端与晶体振荡器X1的一端连接后接地,晶体振荡器X1的另一端与第三电容C3 的一端连接后接地,第三电容C3的另一端分别与第二电阻R2的一端、反相器IC1的 输入端连接,反相器IC1的输出端分别与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一 端、频率测量芯片(102)的CLK脚连接。
4、 根据权利要求1所述的高精度铂电阻测温系统,其特征在于:所述单片机(104) 是C8051F021单片机。
5、 一种基于权利要求l所述的高精度铂电阻测温系统的测温方法,其特征在于: 包括以下步骤,步骤A,根据权利要求1所述频率测量芯片(102)电路得到的频率计数值标定高 阶多项式系统,具体为:① 在铂电阻传感器Rt的测温范围内均匀改变恒温槽的温度值,同时分别记录频率 计数值与标准温标测得的温度值,得到两组相对应的频率计数值和标准温度值;② 采用高阶多项式对①步中得到的两组相对应的频率计数值和标准温度值进行回归,得到频率计数值与标准温度值的映射关系,求得一组高阶多项式系数; 步骤B,上位机(106)向单片机(104)发送启动采集命令;步骤C,单片机(104)收到启动采集命令后,打开RC振荡器(101)并开始对震 荡频率计数;步骤D,计数周期结束后,单片机(104)在本地保留计数值,同时也将该计数值 发送回上位机(106);步骤E,上位机(106)对该计数值进行IIR滤波后,再通过步骤A标定的高阶多 项式系数解算出实际温度值。
6、根据权力要求5所属的基于高精度铂电阻测温系统的测温方法,其特征在于: 所述高阶多项式为11阶多项式。
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