1、設(shè)計(jì)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(shí)選通每路溫度信號(hào)，然后通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過單片微處理器MCU將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，線性校正，偏移補(bǔ)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(biāo)

溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)：16個(gè)；總重量（包括電線、電路）：≤150g；輸出：RS485數(shù)字信號(hào)，每個(gè)點(diǎn)的溫度；測(cè)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(gè)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(gè)PT100熱電阻組成，分別感受不同點(diǎn)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(huì)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(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)讀入到ＭＣＵ內(nèi)部的ＲＡＭ中，ＭＣＵ在程序的控制下進(jìn)行數(shù)字濾波，線性校正，偏移補(bǔ)償和標(biāo)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(hào)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(hào)可以通過分時(shí)采集的方式通過RS４８５總線輸出。每路溫度信號(hào)獲取的時(shí)間約為１ｍｓ。

4、鉑電阻設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外最常用的三種接觸式測(cè)溫元件是熱電偶、電阻溫度計(jì)（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(cè)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(yuǎn)距離、非接觸式測(cè)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(jì)的線性最好，尤其是鉑熱敏電阻，憑借其上佳的線性和無(wú)與倫比的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，確立了自己作為溫度參考傳遞國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(xiàng)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?cè)诨撞牧仙?，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?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(hù)膜、引線膜。

鉑膜熱電阻的溫度測(cè)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(duì)于要求快速響應(yīng)的熱電阻采用導(dǎo)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(hù)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(jìn)行切片，內(nèi)引線，封裝，檢測(cè)。選用PT100作為溫度敏感元件，精度為1/3B級(jí)，溫度誤差為0.3度。該電阻在0攝氏度時(shí)電阻為100Ω。由于產(chǎn)品工作在-150℃~150℃，且引線長(zhǎng)度為0.5m，因此引線選用溫度適用范圍寬的特氟龍F(tuán)4，它可以制成外徑很細(xì)的線纜，質(zhì)量輕。每只溫度PT100鉑膜熱電阻和導(dǎo)線總重控制在1g~1.2g。

圖5  芯片組

5、電路設(shè)計(jì)

電路除了實(shí)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(jì)上，盡量減少元器件的數(shù)量，以精簡(jiǎn)的原理實(shí)現(xiàn)功能要求和技術(shù)指標(biāo)。模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選用AD公司的ADG706，它擁有16個(gè)模擬通道，供電電壓為+1.8V~+5.5V。2.5Ω的導(dǎo)通電阻，40ns的切換時(shí)間，28引腳表貼封裝，超低功耗。其中15個(gè)通道分別接15個(gè)熱電阻的一端，另外一個(gè)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(dāng)溫度在-150℃~150℃變化時(shí)，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(lái)進(jìn)行放大。AD627精度高，功耗低，具備rail-to-rail輸出。使用簡(jiǎn)單，有SOIC貼片封裝形式供應(yīng)。放大后的信號(hào)為0~2.5V 的電壓信號(hào)。0~2.5V的信號(hào)經(jīng)12bit的A/D轉(zhuǎn)換后，通過并行端口由單片機(jī)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(shí)鐘發(fā)生器。單片機(jī)選用封裝小，重量輕的AT89C51，該MCU的單周期指令執(zhí)行時(shí)間為0.5us，具有32個(gè)可編程I/O端口，2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)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(jī)的電源監(jiān)控電路選用MAX707，保證單片機(jī)的內(nèi)部程序正常運(yùn)行，不出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

以上器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)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(gè)電路供電。整個(gè)電路由7塊小封裝貼片IC和20個(gè)左右的貼片阻容器件組成，在重量上進(jìn)行了充分的考慮，此電路的每路溫度信號(hào)最大的采集時(shí)間為1ms。采集16路溫度信號(hào)，總共需要16ms。如果系統(tǒng)對(duì)每路溫度信號(hào)最大的采集時(shí)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(huì)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(jí)或汽車級(jí)器件。阻容選用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的軍品元件。

6、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉑電阻尺寸不大于Φ4×20mm，由0.5m的特氟龍F(tuán)4導(dǎo)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(jì)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(qǐng)保留出處。