高精度温度测量系统

 
摘要：温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。
温度测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。对于一些对温度测量的精度有一定要求企业和单位来说，但如果直接去购买超高精度的温度测量仪器不仅是浪费资金，更是没有必要。所以研制和开发具有一定高精度的温度测量仪是非常有必要的。运用铂电阻和单片机来开发高精度温度测量系统在国内也是有一些单位在研发，但各单位所能达到的测温精度却有很大的差异，毕竟用单片机来开发温度测量系统，对于硬件的设计和软件编程有很高的要求。可以说，真正通过铂电阻和单片机来实现一定的测温精度并作为一个产品推出的，在国内还是相当少的。本设计的温度测量系统，测量精度可达到0.03℃，分辨率为0.001℃，可以说在国内同类产品中很少能达到这样的要求，有很好的市场价值。
关键词：温度测量；高精度；单片机 
Abstract:Temperature measurement is the universal subject for industry, agriculture, Ministry of Defense, scientific research and so on. It’s also a universal and important testing parameter in the development of agriculture, modern scientific research and high and new technology. Temperature measurement plays a very important role in many aspects such as: quality assurances boost productivity, energy conservation, safety in production, promote state economic development. As to some enterprise and public institution who have certain requires for accuracy of temperature measurement, it’s nonsense and waste money to buy the high accuracy temperature measurement equipment. So is necessarily to research and develop the high quality temperature measuring set. There are some institutions in home using platinum resistor and singlechip (MCM) to research and develop high precision temperature measurement system. As the requires for hardware design and software assembler is very high, the precision result differ much. In fact there are few product that use platinum resistor and singlechip (MCM) to control ( reach) accuracy. This design for temperature measurement system is rather advance, the precision can reaches to 0.03℃, resolving capability: 0.001℃.
Keywords：temperature measurement；high precision；singlechip

1前 言
在工业、农业、国防和科研各各部门，温度测量是其最普遍的测量项目。它在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中位居首位，约占50﹪左右。由于许多物质的特征参数与温度有密切关系，因而温度测量在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中已经得到了广泛应用和发展[1]。
温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有：膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断的出现。目前，国内外通用的传感器及测温仪大致有以下几种：
1、热膨胀式温度计
2、电阻温度计
3、热电偶测温计
4、辐射式测温仪表
5、石英温度传感器测温仪
在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压电石英频率温度计的分辨能力可达到0.0001℃，理论上可达0.00001℃而且在-40℃～230℃范围内具有温度与频率的线性特性；日本利用所谓石英温度频率转换器-80℃～200℃的温度范围，最大分辨率达0.0001℃；美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计，电桥分辨率0.00002℃；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃，误差在0.5℃以内，中国航天工业总公司七0二所研制的5901（STP-1000）型粘贴式测温片，其静态测温精度为0.5﹪，快速响应时间小于0.013s[1]。 
对于一些高新企业和单位来说，购买超高精度的温度测量仪器是很浪费资金的，更是没有必要。所以研制和开发有一定高精度的温度测量仪是非常有必要的。
国内也有很多的研究单位在运用铂电阻和单片机来开发高精度温度测量系统，但各单位所能达到的测温精度却有很大的差异，毕竟用单片机来开发温度测量系统，对于硬件的设计和软件编程有很高的要求。可以说，真正通过铂电阻和单片机来实现一定的测温精度并作为一个产品推出的，在国内还是相当少的。
本设计的测量精度可达到0.03℃，分辨率为0.001℃，测量范围是-90℃～400℃，在国内同类产品中很少能达到这样的要求，因此有很高的市场价值。
  2  总体方案设计
2.1  系统总体结构
 
                          图1  系统总体结构
图1为温度测量仪的总体结构。先从测量前端通过传感器测进电压值，再经过AD转换模块，把模拟量转换为数字量供单片机处理测量数据，测量数据经单片机数据处理模块，计算出测进电压与温度的对应值，最后单片机把数据送显示，且与数据存储器和上位机进行数据通讯。
2.2    系统硬件结构
参照系统的总体结构，本系统的硬件也分为四大块：测量模块、单片机数据处理模块、数据显示模块、数据通讯模块。
 
图2  系统硬件结构图
图2 系统硬件结构图。系统的MCU是选用STC系列单片机STC89C52，通过AD7714把测量的模拟信号转换为数字信号，经单片机计算送显示，同时通过RS232串行通讯模块与计算机进行数据交换。