1系统设计

　　ADuC834单片机是美国AD公司新推出的高性能单片机，内部集成了2路200μA恒流源和2路独立的高精度（16位和24位）A/D转换器，体积小，功耗低，非常适用于各类智能仪表。

　　AD780为单片机的温度采集提供高精度参考电压2.5V，误差不超过1mV.

　　温度传感器采用四线制铑铁热电阻，主要特点在于铑铁电阻有较高的灵敏度，复现性好，在0.5～200K温度范围内可作精确测量。

　　显示部分用4个LED数码管，实际项目要求显示4位绝对温度，精度在0.05K以内。

　　串口用于程序烧写，与计算机进行数据交互，实现功能扩展。

　　硬件电路设计

　　测温仪表围绕高精度展开电路设计，四线制铑铁电阻温度传感器采集被测环境温度，将温度转换成电压信号，经前端调理电路（主要是滤波）以后，通过单片机引脚AIN1和AIN2送到单片机内部的Σ-ΔA/D转换器，Σ-ΔA/D转换器对输入信号进行多次采样，这种技术也被称为过采样，采样率通常比输出端口的数据速率高几百倍，每个单独的采样对先前的采样结果进行累加，从而得到统计平均结果。单片机将采集的信号通过分段拟合处理以后得到相应的温度显示值。

　　基于ADuC834的低温测量仪表（以下简称测量仪）的硬件电路结构如1所示。

　　根据单片机内部电路的特点，温度传感器的连接和硬件电路本身是影响精度的主要因素。四线制铑铁电阻温度传感器电路接法如2所示。

　　2四线制温度传感器电路

　　r1、r2、r3、r4分别为传感器引线电阻，由于引线长度基本相等且电阻值很小，故可以认为4个电阻相等。
　　RL为铑铁电阻，I1和I2为两路200μA恒流源，nAIN1和nAIN2经滤波以后接到单片机ADuC834内置24位主A/D的两个差分输入端AIN1和AIN2，由于主A/D的输入通道已经配置了缓冲器，所以电阻式传感器可直接接入。得到的传感器差分电压为：（nAIN1-nAIN2）=I1（r1 RL）-I1×r2=I1（r1 RL-r2）=I1×RL为了提高采集精度，将单片机内部的2路200μA恒流源同时在单片机引脚3输出得到400μA的恒流源，接入传感器，使得传感器的差分输入电压提高了一倍：（nAIN1-nAIN2）=2×I1×RL。

　　由于I1=200μA，RL阻值范围为2.55～55Ω，故最小分辨率为0.15Ω/K.

　　1）采样200μA供电时最大电压差为55×0.2mA=11mV，选用20mV输入档，则峰-峰值有效分辨率14位（在采样频率为5.35Hz时），得到0115Ω×012mA20mV×214=241576位，即当温度变化1℃时，至少有24.576位数据的变化。因此温度的有效分辨率为1/24.576=0.04K.

　　2）采样400μA供电时最大电压差为55×0.4mA=22mV，选用40mV输入档，则峰-峰值有效分辨率15位（在采样频率为5.35Hz时），得到0115Ω×014mA40mV×215=491152位，即当温度变化1℃时，至少有49.152位数据的变化。因此温度的有效分辨率为1/49.152=0.02K.

　　上述计算是在峰-峰值有效分辨率的基础上计算的，而实际有效分辨率还与电路有关，这可以直接利用ADuC的WASP噪声分析工具进行测试，测试结果如3所示。

　　可见实际电路的峰-峰值有效分辨率为14.17位，选用40mV输入档，在采样频率为5.35Hz时，得到0115Ω×014mA40mV×214.17=271650，即当温度变化1℃时，至少有27.650位数据的变化。因此温度的有效分辨率为1/27.650=0.036℃<0.05℃。从中还可以看出，其实电路板的平均值有效位可达17.47位，可见，一般温度可以达到的精度应该还要远小于0.036℃。因此，电路设计满足仪表项目要求。

　　软件设计

　　根据硬件电路的设计方案和对精确度的设计要求，在软件设计上也采取了一定的措施。由于铑铁电阻温度传感器在0.5～300K的测温范围内是非线性的，程序中需要完成曲线的拟合使得采集的温度值始终在允许的误差范围之内。该仪表在软件设计时考虑到单片机的实际数据处理能力和运行速度，在分析了铑铁电阻的温度特性曲线的基础上，采取分段线性拟合的方法来设计的。程序框图如电路中的两路恒流源从单片机3脚输出是通过软件来实现的。

　　ICON=0x0b；//2路200μA恒流源到3脚ADC0CON=0x49；//AIN1-AIN2，0～40mVADCMODE=0x22；//使能主ADC，单个转换根据项目的实际测量对低温段温度的特殊要求，在低温3～100K的温度范围做了进一步的细化，使得在所需的温度区间有更高的精度。通过区间判别获得测量温度的斜率、偏移值、修正值等主要参数，从而得到这个区间的较为精确的测量值。软件设计中最重要的是对数百个测量值的修正值进行校准，每进行一次校准都会使得精度提高，在经过3次校准以后测量结果比较理想。由于硬件电路的限制，采集的精度有效分辨率仅仅在0.036℃，在低温区间无法保证测量的精度，考虑到样本采集的分布特性，在软件设计的时候加入必要的算法实现软件滤波，去除偏离样本均值较远的数据，使得数据均值更加稳定。通过上述步骤以后，在软件设计上基本达到了对于精度的设计要求。

　　2系统调试

　　2.1精密电阻箱调试

　　用精度为0.01Ω的电阻箱来模拟铑铁电阻的阻值，通过改变电阻使在2～300K的温度范围内变化。实验中发现LED数码管显示的温度值与理论值存在一定的偏差，而且在整个测量温度区间内，这个偏差值接近于一个常数，初步推断该偏差是有硬件电路布线和元器件工艺参数不完全一致等原因造成。解决的办法是在程序进入分段拟合处理之前先消除偏差，保证进入分段拟合处理函数中的24位采集数值能够准确地进入相应的区间。通过多次计算和调整，偏差值offset=0.15K合适。经调整后的程序的实际测量精度为100K以下时不大于0.5，100K以上时不大于0.2，符合项目要求。通过精密电阻箱调试以后，仪表的测量精度在0.5以内。

　　在此基础上去掉电阻箱，接上铑铁电阻温度传感器，将传感器放入恒温槽测温，主要测量温度变化范围在273～300K的区间，步进0.5K做采集，实验结果显示测量温度与恒温槽温度相差最大为0.6K，精度保持在0.22以内。

　　2.2现场综合调试

　　将3个同样的铑铁电阻温度传感器捆绑在一起放入低温环境测量。3个温度传感器分别接Agilent数据采集仪、测量仪和一台大型的专用数据采集仪。

　　Agilent数据采集仪用来测量铑铁电阻阻值，通过阻值与温度对照表得到测量环境的理论温度；大型的专用数据采集仪采用高精度传感器、Agilent数据采集仪、高精度恒流源、PC等主要设备搭建而成，精度在0.01以下；该温度测量仪也是用来测量低温温度，测量的温度区间在3～300K，通过专用数据采集仪测量温度的误差来确定该测量仪表的精度及其他主要参数。

　　3总结与展望

　　该仪表使用一个8位单片机来处理32位的数据，在数据处理速度上受到了一定的影响，但在实际应用过程中并没有受到大的影响。基于ADuC834的低温测量仪表达到了项目的实际要求，可广泛应用于低温实验和低温工程中的宽温区测量。

通讯员：羽轩转载