基于動態跟蹤的消除系統溫漂和時漂的解決方案

1 系統組成概述
　　用于檢測潤滑制劑運動粘度的水浴溫度測控儀，以MCS-51系列的AT89C51為核心，構成1個單片機測控系統，完成溫度檢測、溫度顯示、數據處理及輸出控制。溫控儀可巡回檢測三路溫度信號，分別對應3個檢測點。由鉑電阻溫度傳感器產生的溫度信號經過調理電路轉換成電壓信號，經過放大、A/D轉換，傳送至主機AT89C51進行處理，然后由帶有高速串行接口的8位LED控制驅動器PS7219實現溫度顯示。同時，主機將檢測到的溫度信號與設定溫度值進行比較，輸出控制信號，控制繼電器的閉合。本系統中89C51的P0口作為與A/D轉換芯片的數據接口，采用查詢法讀取A/D轉換的結果，而P1口、P2口、P3口除用作特殊功能均可作為可編程的輸入輸出線，無地址總線。這主要是因為AT89C51內部帶有4 KB的程序存儲器，源程序均在芯片內部，無需外部擴展程序存儲器[1-2]，系統設計框圖如圖1所示。

2 動態實時跟蹤解決系統時漂和溫漂的方法
　　在硬件上，鉑電阻測溫電路和調理電路的好壞是關系到整個系統精度和穩定性的最關鍵性因素。本文采用恒流源、多路模擬開關和測量放大器AD620實現的鉑電阻溫度傳感器的調理電路，在設計過程中嘗試了兩種方案，通過理論分析和實際測量結果的比較，最終選用了如下方案，其電路圖如圖2所示。

　　?此方案采用1片8通道多路模擬開關CD4051、2片雙路4通道多路模擬開關CD4052和2片測量放大器AD620，R=100 Ω(調零電阻)。R2~R7=10 Ω，用以消除地端干擾。多路模擬開關CD4051的通道選擇是通過A(P1.4)、B(P1.5)和C(P1.7)控制的。當P1.4=0，P1.5=0，P1.7=0時，通道1選通，恒流源的電流I通過鉑電阻RA，同時鉑電阻兩端的電壓通過第2片CD4052以差模的形式取出并送入AD620，經兩級放大后送到A/D，避免了共模干擾，提高了系統的抗干擾能力[3]。　　

　　對于溫度測控系統，傳感器的調理電路對整個系統的精度起著至關重要的作用。在該系統中，恒流源、基準電壓源和放大器分別存在著不同的時漂和溫漂，即便是在選用的器件比較好的情況下，這種漂移很小，但由于系統要長時間工作，這種日積月累的影響也不能夠忽略不計。因此在上述基礎上增加了2個精密標準電阻，通過它們來動態實時跟蹤恒流源的電流、基準電壓源的電壓和放大器的放大倍數變化，去除了漂移對測量結果的影響[4]，鉑電阻調理電路如圖2所示。

　?? 在硬件基礎上，此方案的實時跟蹤是通過軟件方法來實現的，具體方法是首先控制多路模擬開關，依次選通標準電阻R1，R0，則A/D所對應的電壓輸出分別為Vout1，Vout0。設恒流源的電流為I，2個放大器的放大倍數分別為K1和K2，放大器反相輸入端基準電壓源的電壓為V-。則有：

3 系統工作穩定性測試
　　為了驗證此方案的可行性，在系統連續運行不關機的情況下，實際測得了1組數據，為了防止鉑電阻阻值隨環境溫度變化對測試結果的影響，僅驗證調理電路的好壞，所以用1個150 Ω的可調電阻代替鉑電阻，在100~150 Ω范圍內模擬鉑電阻，由對應的1組阻值實測出1組相對應的溫度值。在此僅以其中的1路溫度信號來說明，如表1所示。

　　由表1中的數據用最小二乘法求出鉑電阻阻值R與實測溫度值t之間的關系式。將測量數據列表進行處理，如表2所示。

　　設R=R0+A×t，應用最小二乘法原理求取回歸參數R0，A，可得：
　　　???

　　由以上分析可知，采用此方案提高了系統工作的穩定性和抗干擾能力；同時還提高了元器件之間的互換性，即便是同種型號的元器件的參數值也并不是完全一致的。而采用這種動態實時跟蹤元器件參數值的方法，則有效地解除了元器件之間參數值不一致的問題[6]。
　　信號檢測傳感器調理電路是關系到整個系統精度的重要環節，因此，本方案雖然是以犧牲硬件資源的代價來改善系統的抗干擾性能和精度，但考慮到現場干擾極大、環境惡劣的情況下，與其他方案比較起來，顯然是可取的。