1、設(shè)計思想

使用體積小、重量輕的鉑電阻（Pt100）作為溫度敏感元件,，利用大規(guī)模集成多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分時選通每路溫度信號，然后通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,。通過單片微處理器MCU將信號進行數(shù)字濾波，線性校正,，偏移補償,，最終通過RS485總線將溫度數(shù)據(jù)以指定的幀格式傳送出去,。

2,、主要技術(shù)指標

溫度測量點數(shù)：16個；總重量（包括電線,、電路）：≤150g,；輸出：RS485數(shù)字信號，每個點的溫度,；測量范圍：-150℃~150℃,；精度：≤0.5%；供電電源：+12VDC。

3,、系統(tǒng)組成和工作原理

整個系統(tǒng)由溫度敏感元件,、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、電阻電壓轉(zhuǎn)換電路,、模數(shù)轉(zhuǎn)換,、單片微處理器RS485總線收發(fā)器、電源穩(wěn)壓電路和外殼構(gòu)成,。系統(tǒng)組成框圖如下：

溫度敏感元件由16個PT100熱電阻組成,，分別感受不同點的溫度。溫度的變化將引起電阻的變化,。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)在ＭＣＵ的控制下選通１6路中的一路,，將電阻接入電橋，電阻的變化將會使電橋產(chǎn)生不平衡輸出,，輸出的差分電壓通過儀表放大器放大,，ＭＣＵ啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號讀入到ＭＣＵ內(nèi)部的ＲＡＭ中,，ＭＣＵ在程序的控制下進行數(shù)字濾波,，線性校正，偏移補償和標度變換,，最終通過ＵＡＲＴ接口將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送給ＲＳ４８５收發(fā)器,，ＲＳ４８５收發(fā)器將ＴＴＬ電平轉(zhuǎn)換為４８５電平將溫度數(shù)字信號傳輸?shù)娇偩€上。這樣,，一路溫度數(shù)據(jù)獲取完畢,。１6路溫度信號可以通過分時采集的方式通過RS４８５總線輸出。每路溫度信號獲取的時間約為１ｍｓ,。

4,、鉑電阻設(shè)計

國內(nèi)外最常用的三種接觸式測溫元件是熱電偶、電阻溫度計（RTD）和NTC熱敏電阻,。熱電偶的工作溫度范圍寬,，但易受噪聲影響，漂移較高,，500℃以下測量精度及穩(wěn)定性較差,。NTC熱敏電阻靈敏度高，但穩(wěn)定性差,、線性與互換性差,，阻值偏差大。遠距離,、非接觸式測溫中用得多的是紅外溫度傳感器,，但它受水氣、煙霧、塵霧,、塵埃等影響較大,，這些都不適合環(huán)境惡劣的軍用傳感器性能要求。在低,、中溫段,，以電阻溫度計的線性最好，尤其是鉑熱敏電阻,，憑借其上佳的線性和無與倫比的長期穩(wěn)定性,，確立了自己作為溫度參考傳遞國際標準的地位。所以,，高精度,、高穩(wěn)定性的軍用傳感器基本都是采用的鉑熱電阻溫度傳感器。

鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：

在0~600℃溫度范圍內(nèi) Rt= R0（1+At+Bt2）…………………………………（1）

在-190℃~0℃溫度范圍內(nèi) Rt= R0（1+At+Bt2+C（t-100））t3 ……………………（2）

式中R0,，Rt 分別是0℃和℃時的電阻值,；A —常數(shù)（3.96847×10-3/℃）；B —常數(shù)（-5.847×10-7/℃）,；C —常數(shù)（-4.22×10-12/℃）,；

圖2是金屬鉑電阻的阻值隨溫度的變化關(guān)系，在一定的溫區(qū)內(nèi),，電阻阻值的變化量與溫度基本呈線性,。

圖2 金屬電阻的阻值隨溫度的變化關(guān)系

本項目將利用金屬鉑的這種熱電阻制作成薄膜熱電阻。該薄膜熱電阻濺鍍在基底材料上,，基底材料可以是金屬材料或者陶瓷,。在基底材料上先鍍一層性能優(yōu)良的絕緣膜，再在其上制作電阻膜,。圖3是各種功能薄膜的分布圖,。第一層是基底材料，上面依次是絕緣膜,、電阻膜,、保護膜、引線膜,。

鉑膜熱電阻的溫度測量原理是：熱能  鉑膜電阻值變化,。電阻器封裝采用耐溫材料，芯片與封裝體之間的電氣連接采用金絲球焊件,，如圖4所示,。

圖4  整體結(jié)構(gòu)示意圖

一般選用陶瓷作為基底材料，對于要求快速響應(yīng)的熱電阻采用導熱性好的金屬材料作基底,，經(jīng)拋光后，在基底材料上沉積一層絕緣膜，然后在絕緣層上濺射鉑電阻膜,，經(jīng)離子束刻蝕成柵條電阻,，再在電阻膜層上濺射一層保護絕緣膜。每片基片上可制造10-20支電阻器圖5,，芯片制造工藝完成后再進行切片,，內(nèi)引線，封裝,，檢測,。選用PT100作為溫度敏感元件，精度為1/3B級,，溫度誤差為0.3度,。該電阻在0攝氏度時電阻為100Ω。由于產(chǎn)品工作在-150℃~150℃,，且引線長度為0.5m,，因此引線選用溫度適用范圍寬的特氟龍F4，它可以制成外徑很細的線纜,，質(zhì)量輕,。每只溫度PT100鉑膜熱電阻和導線總重控制在1g~1.2g。

圖5  芯片組

5,、電路設(shè)計

電路除了實現(xiàn)基本的功能外,，還必須滿足軍品部件寬工作溫度范圍，高可靠性的要求,。另外還必須使電路板的重量控制在40g,。在電路的設(shè)計上，盡量減少元器件的數(shù)量,，以精簡的原理實現(xiàn)功能要求和技術(shù)指標,。模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選用AD公司的ADG706，它擁有16個模擬通道,，供電電壓為+1.8V~+5.5V,。2.5Ω的導通電阻，40ns的切換時間,，28引腳表貼封裝,，超低功耗。其中15個通道分別接15個熱電阻的一端,，另外一個為用的通道接地,，以減小干擾。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將熱電阻選通接入電橋,，電橋使用5.3V供電,。通過配置橋臂電阻使流過熱電阻的電流小于1mA,，以減小熱電阻自熱產(chǎn)生的誤差。當溫度在-150℃~150℃變化時,，將產(chǎn)生70mv左右的差分電壓,。在電橋頂端和底端串接電阻可將共模電壓設(shè)置為2.5V。

差分電壓需經(jīng)過放大才能為A/D電路所處理,。選用高輸入阻抗的儀表放大器AD627來進行放大,。AD627精度高，功耗低,，具備rail-to-rail輸出,。使用簡單，有SOIC貼片封裝形式供應(yīng),。放大后的信號為0~2.5V 的電壓信號,。0~2.5V的信號經(jīng)12bit的A/D轉(zhuǎn)換后，通過并行端口由單片機讀入到RAM中,。A/D轉(zhuǎn)換器采用AD7492,，12bits的轉(zhuǎn)換精度，1.25M的采樣速率,、16mW低功耗,，24腳SOIC貼片封裝。該芯片需要的外部分立器件少,，自帶時鐘發(fā)生器,。單片機選用封裝小，重量輕的AT89C51,，該MCU的單周期指令執(zhí)行時間為0.5us,，具有32個可編程I/O端口，2個16位的定時/計數(shù)器,，1個UART接口,， UART接口可以與485總線收發(fā)器連接。RS485收發(fā)器選用MAX13084EASA,。最高傳輸速率為100Kbps,，全雙工通信模式。8引腳SO封裝,。單片機的電源監(jiān)控電路選用MAX707,，保證單片機的內(nèi)部程序正常運行，不出現(xiàn)死機現(xiàn)象,。

以上器件的選擇和電路的設(shè)計上,，兼顧了供電電源的統(tǒng)一性，供電均在5V~5.25V之間,，消耗電流在0.5A以下,。選用NS的LM117三端可調(diào)穩(wěn)壓器給整個電路供電,。整個電路由7塊小封裝貼片IC和20個左右的貼片阻容器件組成，在重量上進行了充分的考慮,，此電路的每路溫度信號最大的采集時間為1ms,。采集16路溫度信號,，總共需要16ms,。如果系統(tǒng)對每路溫度信號最大的采集時間允許大于5ms，則電路可以僅由4塊IC組成,，重量還將有所減輕,，故障率也會相應(yīng)降低。所有器件均可在-40℃~85℃環(huán)境下使用,。為滿足高可靠性要求,，所有集成IC選用軍品級或汽車級器件。阻容選用國內(nèi)生產(chǎn)的軍品元件,。

6,、結(jié)構(gòu)設(shè)計

鉑電阻尺寸不大于Φ4×20mm，由0.5m的特氟龍F4導線引到電路板上,。鉑電阻的固定方式可以根據(jù)用戶的使用情況用硬鋁制作小型法蘭盤,。鉑電阻與電路的連接方式為過線孔焊接方式，保證重量輕和抗拉扯性能,。電路板的尺寸設(shè)計為50×60mm2,，采用雙面布置元器件減小電路板尺寸。電路板安裝在60×80×23mm3 的鋁合金外殼內(nèi),，鋁合金外殼壁厚為3mm,，電連接器選用微型GM5-2BF連接器。外殼加電連接器的重量約為80克,。

7,、結(jié)論

該方案在原理正確可行，完全可滿足用戶的需求,。本文源自澤天傳感,，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處,。