基于PT100的多路温度巡检仪设计
时间：2024-07-16 阅读：31
【摘要】本文介绍了基于PT100型铂热电阻的多路温度巡检仪的软硬件设计。PT100信号通过电桥接入、放大，进而通过单片机控制多路模拟开关选择不同通道采样；软件处理中则采用复合滤波法处理数据，平滑采样数据；通过将PT100的分度表分段线性化与采样值对比，可得出实际检测温度。该温度巡检仪采用数码管显示，可同时显示8路温度、时钟，并且具有语音报警功能。
1.引言
PT100在-50～600℃范围内具有其他任何温度传感器的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等[1]，正是基于此，PT100在各个行业中受到广泛应用。本文设计了一款基于PT100的多路温度巡检仪，可同时测量8路PT100信号，通过数码管同时显示时钟、8路温度值；具有4个按键输入，用于出场调校、报警值设定，并且*终调校参数可保存在单片机自带的EEPROM中；另外，巡检仪还具有语音报警功能。
2.巡检仪硬件电路设计
硬件电路主要由信号前置变换、放大电路，按键电路，显示驱动电路，语音报警电路，时钟电路几部分组成。
2.1 信号前置变换电路
巡检仪采用惠斯通电桥接入PT100信号，考虑现场接线时导线的长度不可忽略[2]，采用三线制接法，如图1所示。
图1中V1，F1，F2起保护作用，可防止现场强干扰或接线错误而导致元器件损坏。 IN1A、IN1B之差与PT100阻值变化呈线性关系，通过将IN1A、IN1B变化值采样再对应P100刻度表即可换算得到实测温度。图1中R2，R3，R4均采用低温漂的精密电阻。
REF1为给电桥供电的基准源，将PT100变化的阻值信号转换为电压信号。考虑到PT100电阻变化值小，所转换成的差值电压在毫伏级，因此电源波动对*终采样精度影响很大。基于此，采用LM4040-2.5V精密基准源给电桥供电。
2.2 信号放大电路
由IN1A、IN1B两引脚所产生的压差信号非常微弱，直接采样影响精度，因此需要将其放大后再引进单片机采样脚。图2为信号放大电路。8路PT100信号通过多路模拟开关选择轮流采样，D4，D5为8通道模拟开关，CTRL0、CTRL1、CTRL2、CTRL3连接到单片机引脚，对采用通路的控制选择，将差分信号输出到Vin+，Vin-引脚上。
考虑到PT100探头产生的信号非常微弱，很容易受到噪声干扰，所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大[3]。巡检仪的信号放大采用如图3的三运放仪表放大电路。
图3中信号由Vin+，Vin-输入，D2，D3对输入电压信号起缓冲作用。V3，V4其保护作用，钳制输入信号间的*大差分电压。电阻均采用低温漂的精密电阻，其中R9=R12， R10=R13，R11=R14，由此可得放大后的ADin引脚的电压Uo为Uo=(Vin+—Vin-)(1+3R9/R8)(R14/R13)由式(1)可看出，通过增减R8的阻值即
可改变增益，得到理想的放大倍数。
2.3 按键电路设计
温度巡检仪设有4个按键，用于出厂调校，参数设定。两个键用于参数的增加，另外两个按键一个用于键功能确认，按下后开始标校温度；剩下一个按下后可以对报警温度值设定。电路如图4所示，按键不按时单片机引脚检测为高电平，按下后变为低电平。
2.4 显示电路设计
数码管的显示分为动态显示跟静态显示两种。静态显示除变更数据期间，各显示器均处于通电状态，每个显示器通电占空比约为99%。动态显示就是逐位地点亮显示器的各位，N个显示器共占用一个显示驱动器，每个显示器通电占空比时间约为1/N[4]。
采用动态显示时这里有两种方式，一种是将3位的显示温度的数码管跟2位的显示时钟的数码管组合在一起，成为5列，分5次点亮；采用这种方式全点亮时间较长，对点亮时间延时、时间间隔等要求较高，但可以减少芯片数量。第二种取*大列数为3列，点3次点亮，其优缺点跟**种方式相反。这里考虑芯片数量、PCB板尺寸等因素，采用**种方式，见图5。
图5中只画出了两组显示，将显示温度的数码管跟显示时钟的数码管合在一起，总共5列。其中U1，U2为移位寄存器HEF4094，**个的串行输出连接到第二个的数据输入，依此类推，每个HEF4094对应一路显示，总共8路。当一列的数据全部移位完成，对应每个HEF4094上的8位正确输出时，控制LED_1到LED_5，点亮数码管。
2.5 语音报警电路
巡检仪具有超温报警功能，根据设定的温度分为两级报警。当到达不同级别的报警温度时播放相应的语音，当温度恢复正常时用语音提示一下温度正常，因此需要3段语音。
语音报警电路如图6所示。采用YF017型OTP语音芯片，其工作电压为2.2～6V，具有PWM输出，2脚3脚输出驱动喇叭。它共有3个IO口，外围*低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，通过单片机*少一个IO口可以控制多达32段声音。
控制原理说明：芯片采用了模拟串行的控制方式。如需要播放第几个地址的内容就向DAT引脚发送几个脉冲(大于0.2ms即可，建议采用1ms左右)。芯片工作时(播放声音)，BUSY引脚输出低电平，停止工作或者待机时，保持高电平；RST引脚任何时候收到一个脉冲的时候，可以使芯片的播放指针归零(就是DAT脚恢复到初始状态)，同时即刻使芯片停止工作，进入待机状态。
2.6 时钟显示
巡检仪的时钟显示功能是基于DS1302芯片实现的。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的低功耗实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，并能够对每月的天数和闰年的天数进行自动调整，时钟可以采用24小时制，也可以采用12小时。DS1302功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1uW，在没有电源供电的情况下，可以工作长达10年的时间[5]。
电路原理如图7所示。DS1302与单片机的连接仅需要3条线：RST复位引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc1为备用电源；外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。
2.7 单片机选型
巡检仪单片机采用PIC18F4580，其内部带EEPROM，调校完成后可将调校参数存储，而不用每次上电都重新调校。
温度巡检仪需要显示8路温度值(每路3位数码管)，时钟的时、分(各两位数码管)，若采用静态显示，占用单片机管脚太多，不太现实，并且功耗增加。基于此考虑，巡检仪数码管采用动态显示。另外，温度正常指示、低报警、高报警对应的信号指示灯也可采用动态显示。显示程序将需要显示的数据按列拆分，通过移位寄存器将其逐位移位，移位完成后，打开控制脚，点亮数码管，延时一定时间，然后接着点亮下一列。
3.巡检仪软件设计
巡检仪软件的工作流程设计成这样，上电后初始化，读取EEPROM中的校验数据，报警数值。进入主循环后对信号采样计算，换算成对应的温度值送到数码管显示。若在运行过程中发现有功能键，或者报警设定键按下，则进入设定调校程序。
初始化函数主要对输入输出口，AD采样初始化，时钟芯片DS1302初始化，读取EEPROM中的调校报警数值。
DS1302初始化为多字节突发模式传输数据，提高效率。另外，由于巡检仪采用的是普通的纽扣电池，因此在模式寄存器中将充电功能屏蔽。
对于保存在EEPROM中的数据例如调校值，在初始化时需将其读出放到特定的数组中。
定时器主要用于语音报警时的脉冲宽度，目前设置成1ms。
3.2 AD采样
AD采样的流程是这样的，在中断中读出采样值，并置标志位，在主循环中检测到标志位后对数据进行处理。由于8路信号是通过模拟开关切换，因此需注意在当前采集完成切换到下一路时需设定可靠延时以保证采样电容能充电充分。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，因此我们需要对PT100刻度表分段线性化，根据电路中实测的AD值以查表方式得出当前温度值。
测量精度和可靠性是仪器的重要指标，由于电阻电容的差异性、现场电磁环境的污染，不是每次采样都能采得正确的数值，因此需要通过软件来修正、滤波。
数字滤波法有用于克服大脉冲干扰的数字滤波法，也有适用抑制小幅度高频噪声的平均滤波法。在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用，形成复合滤波。
巡检仪AD采样软件设计采用去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤波。连续采样N次，剔除其*大值和*小值，再求余下N－2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。
3.3 语音报警
当温度超过报警值时，单片机输出脉冲控制语音芯片报警输出。报警脉冲的输出通过定时器定时，定时器1ms中断一次，在定时器中判断是否需要输出，是否输出完成。需要播放语音时设置变量N，代表需要播放第N段，通过在定时器中递减来输出语音。程序流程如图9所示。
4.调校
巡检仪设有4个按键，两个键用于参数的增减少；另外两个按键一个用于键功能确认，按下后开始轮流标校温度值。正常运行过程中，按下功能键，从**路个位数码管开始闪烁。通过增减键确认后再按下功能键，标校完成，下一位开始闪烁，等待标校。**路完成标校后将标校差值参数存入EEPROM，进入下一路调校。若不需要调校，按功能键或等待一定时间可退出调校流程。
运行时按下报警设定键则可以设定报警值，跟标校流程一样。
5.结语
本文介绍了基于PT100型铂电阻的多路温度巡检仪的软硬件设计，该巡检仪硬件设计实用可靠；软件中采用分段线性法对比得到实测温度，并采用了多种滤波方式，误差精度得到提高。该巡检仪目前已应用于汽车上轴温监测、一些大型电机的定、转子温度监测，从现场使用情况来看，精度较高，能很好适应现场，特别是需要多点测温的地点。
1.引言
PT100在-50～600℃范围内具有其他任何温度传感器的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等[1]，正是基于此，PT100在各个行业中受到广泛应用。本文设计了一款基于PT100的多路温度巡检仪，可同时测量8路PT100信号，通过数码管同时显示时钟、8路温度值；具有4个按键输入，用于出场调校、报警值设定，并且*终调校参数可保存在单片机自带的EEPROM中；另外，巡检仪还具有语音报警功能。
2.巡检仪硬件电路设计
硬件电路主要由信号前置变换、放大电路，按键电路，显示驱动电路，语音报警电路，时钟电路几部分组成。
2.1 信号前置变换电路
巡检仪采用惠斯通电桥接入PT100信号，考虑现场接线时导线的长度不可忽略[2]，采用三线制接法，如图1所示。
图1中V1，F1，F2起保护作用，可防止现场强干扰或接线错误而导致元器件损坏。 IN1A、IN1B之差与PT100阻值变化呈线性关系，通过将IN1A、IN1B变化值采样再对应P100刻度表即可换算得到实测温度。图1中R2，R3，R4均采用低温漂的精密电阻。
REF1为给电桥供电的基准源，将PT100变化的阻值信号转换为电压信号。考虑到PT100电阻变化值小，所转换成的差值电压在毫伏级，因此电源波动对*终采样精度影响很大。基于此，采用LM4040-2.5V精密基准源给电桥供电。
2.2 信号放大电路
由IN1A、IN1B两引脚所产生的压差信号非常微弱，直接采样影响精度，因此需要将其放大后再引进单片机采样脚。图2为信号放大电路。8路PT100信号通过多路模拟开关选择轮流采样，D4，D5为8通道模拟开关，CTRL0、CTRL1、CTRL2、CTRL3连接到单片机引脚，对采用通路的控制选择，将差分信号输出到Vin+，Vin-引脚上。
考虑到PT100探头产生的信号非常微弱，很容易受到噪声干扰，所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大[3]。巡检仪的信号放大采用如图3的三运放仪表放大电路。
图3中信号由Vin+，Vin-输入，D2，D3对输入电压信号起缓冲作用。V3，V4其保护作用，钳制输入信号间的*大差分电压。电阻均采用低温漂的精密电阻，其中R9=R12， R10=R13，R11=R14，由此可得放大后的ADin引脚的电压Uo为Uo=(Vin+—Vin-)(1+3R9/R8)(R14/R13)由式(1)可看出，通过增减R8的阻值即
可改变增益，得到理想的放大倍数。
2.3 按键电路设计
温度巡检仪设有4个按键，用于出厂调校，参数设定。两个键用于参数的增加，另外两个按键一个用于键功能确认，按下后开始标校温度；剩下一个按下后可以对报警温度值设定。电路如图4所示，按键不按时单片机引脚检测为高电平，按下后变为低电平。
2.4 显示电路设计
数码管的显示分为动态显示跟静态显示两种。静态显示除变更数据期间，各显示器均处于通电状态，每个显示器通电占空比约为99%。动态显示就是逐位地点亮显示器的各位，N个显示器共占用一个显示驱动器，每个显示器通电占空比时间约为1/N[4]。
采用动态显示时这里有两种方式，一种是将3位的显示温度的数码管跟2位的显示时钟的数码管组合在一起，成为5列，分5次点亮；采用这种方式全点亮时间较长，对点亮时间延时、时间间隔等要求较高，但可以减少芯片数量。第二种取*大列数为3列，点3次点亮，其优缺点跟**种方式相反。这里考虑芯片数量、PCB板尺寸等因素，采用**种方式，见图5。
图5中只画出了两组显示，将显示温度的数码管跟显示时钟的数码管合在一起，总共5列。其中U1，U2为移位寄存器HEF4094，**个的串行输出连接到第二个的数据输入，依此类推，每个HEF4094对应一路显示，总共8路。当一列的数据全部移位完成，对应每个HEF4094上的8位正确输出时，控制LED_1到LED_5，点亮数码管。
2.5 语音报警电路
巡检仪具有超温报警功能，根据设定的温度分为两级报警。当到达不同级别的报警温度时播放相应的语音，当温度恢复正常时用语音提示一下温度正常，因此需要3段语音。
语音报警电路如图6所示。采用YF017型OTP语音芯片，其工作电压为2.2～6V，具有PWM输出，2脚3脚输出驱动喇叭。它共有3个IO口，外围*低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，通过单片机*少一个IO口可以控制多达32段声音。
控制原理说明：芯片采用了模拟串行的控制方式。如需要播放第几个地址的内容就向DAT引脚发送几个脉冲(大于0.2ms即可，建议采用1ms左右)。芯片工作时(播放声音)，BUSY引脚输出低电平，停止工作或者待机时，保持高电平；RST引脚任何时候收到一个脉冲的时候，可以使芯片的播放指针归零(就是DAT脚恢复到初始状态)，同时即刻使芯片停止工作，进入待机状态。
2.6 时钟显示
巡检仪的时钟显示功能是基于DS1302芯片实现的。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的低功耗实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，并能够对每月的天数和闰年的天数进行自动调整，时钟可以采用24小时制，也可以采用12小时。DS1302功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1uW，在没有电源供电的情况下，可以工作长达10年的时间[5]。
电路原理如图7所示。DS1302与单片机的连接仅需要3条线：RST复位引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc1为备用电源；外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。
2.7 单片机选型
巡检仪单片机采用PIC18F4580，其内部带EEPROM，调校完成后可将调校参数存储，而不用每次上电都重新调校。
温度巡检仪需要显示8路温度值(每路3位数码管)，时钟的时、分(各两位数码管)，若采用静态显示，占用单片机管脚太多，不太现实，并且功耗增加。基于此考虑，巡检仪数码管采用动态显示。另外，温度正常指示、低报警、高报警对应的信号指示灯也可采用动态显示。显示程序将需要显示的数据按列拆分，通过移位寄存器将其逐位移位，移位完成后，打开控制脚，点亮数码管，延时一定时间，然后接着点亮下一列。
3.巡检仪软件设计
巡检仪软件的工作流程设计成这样，上电后初始化，读取EEPROM中的校验数据，报警数值。进入主循环后对信号采样计算，换算成对应的温度值送到数码管显示。若在运行过程中发现有功能键，或者报警设定键按下，则进入设定调校程序。
初始化函数主要对输入输出口，AD采样初始化，时钟芯片DS1302初始化，读取EEPROM中的调校报警数值。
DS1302初始化为多字节突发模式传输数据，提高效率。另外，由于巡检仪采用的是普通的纽扣电池，因此在模式寄存器中将充电功能屏蔽。
对于保存在EEPROM中的数据例如调校值，在初始化时需将其读出放到特定的数组中。
定时器主要用于语音报警时的脉冲宽度，目前设置成1ms。
3.2 AD采样
AD采样的流程是这样的，在中断中读出采样值，并置标志位，在主循环中检测到标志位后对数据进行处理。由于8路信号是通过模拟开关切换，因此需注意在当前采集完成切换到下一路时需设定可靠延时以保证采样电容能充电充分。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，因此我们需要对PT100刻度表分段线性化，根据电路中实测的AD值以查表方式得出当前温度值。
测量精度和可靠性是仪器的重要指标，由于电阻电容的差异性、现场电磁环境的污染，不是每次采样都能采得正确的数值，因此需要通过软件来修正、滤波。
数字滤波法有用于克服大脉冲干扰的数字滤波法，也有适用抑制小幅度高频噪声的平均滤波法。在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用，形成复合滤波。
巡检仪AD采样软件设计采用去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤波。连续采样N次，剔除其*大值和*小值，再求余下N－2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。
3.3 语音报警
当温度超过报警值时，单片机输出脉冲控制语音芯片报警输出。报警脉冲的输出通过定时器定时，定时器1ms中断一次，在定时器中判断是否需要输出，是否输出完成。需要播放语音时设置变量N，代表需要播放第N段，通过在定时器中递减来输出语音。程序流程如图9所示。
4.调校
巡检仪设有4个按键，两个键用于参数的增减少；另外两个按键一个用于键功能确认，按下后开始轮流标校温度值。正常运行过程中，按下功能键，从**路个位数码管开始闪烁。通过增减键确认后再按下功能键，标校完成，下一位开始闪烁，等待标校。**路完成标校后将标校差值参数存入EEPROM，进入下一路调校。若不需要调校，按功能键或等待一定时间可退出调校流程。
运行时按下报警设定键则可以设定报警值，跟标校流程一样。
5.结语
本文介绍了基于PT100型铂电阻的多路温度巡检仪的软硬件设计，该巡检仪硬件设计实用可靠；软件中采用分段线性法对比得到实测温度，并采用了多种滤波方式，误差精度得到提高。该巡检仪目前已应用于汽车上轴温监测、一些大型电机的定、转子温度监测，从现场使用情况来看，精度较高，能很好适应现场，特别是需要多点测温的地点。