基于PT100的多路温度巡检仪设计

基于PT100的多路温度巡检仪设计

【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。

【关键词】PT100；动态显示；分段线性；复合滤波

1.引言

PT100在-50～600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，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，并且最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，因此电源波动对最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，钳制输入信号间的最大差分电压。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100%。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]。

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。

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。第二种取最大列数为3列，点3次点亮，其优缺点跟第一种方式相反。这里考虑芯片数量、PCB板尺寸等因素，采用第一种方式，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，第一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，外围最低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，通过单片机最少一个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。

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。