基于AVR单片机的多路PT100－III型信号转换模块

The multiplex Pt100 To III Series Signal Transformer on AVR Single Chip Computer

浙江佳环电子有限公司 浙江 金华 321000 王爱华

摘 要：本文介绍了多路PT100－III型信号转换模块的软硬件设计。本模块以AVR单片机为核心，融合了三线制PT100,A/D转换，线性化处理，权电阻D/A转换，MODBUS通讯等技术。

关键词：AVR单片机；三线制；PT100；D/A转换； MODBUS

ABSTRACT: The multiplex Pt100 To III Series Signal Transformer on AVR Single Chip Computer is discussed.The core of this module is AVR SCC ,and Three-Wire PT100,Linear dispose,bit register D/A ,Communication base MODBUS protocol etc.

Keyword:AVR SCC;Three-Wire;PT100;D/A;MODBUS

引言

PT100是一种广泛应用的测温元件，在－50℃―600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂热电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以本模块需要进行非线性校正，一般的模块采用模拟电路校正，这种校正的精度不高，而且温漂等受干扰的程度也比较大。本模块采用了软件查表插值的方法进行校正，最后转换成III型信号。III型信号是当被测信号从下量程到上量程（0%－100%）变化时，输出线上对应4－20mA电流的变化。此外模块还具有MODBUS协议的通讯端口，可以直接和任何MODBUS口连接。

一、AVR单片机的硬件特点

整个模块基于AVR新型的Atmega16单片机为核心，Atmega16采用RISC精简指令系统，绝大多数指令是单周期指令，而且在前一条执行的机器周期内，后一条指令就已经被取到寄存器中，速度比传统的51快的多。而且外设上也有很多，新特性，自带8路10位A/D转换器。整个系统采用C语言开发，缩短了开发周期，增加了程序的可读性。

二、系统整体设计

信号采集部分，采用三线制形式，这样可以去除导线电阻带来的零点不准确，经过差动放大电路直接得到0－5V的信号电压，这样就可以直接输入到A/D转换器上。

数据处理部分，将PT100分度表中的每隔10℃的电阻值写入到flash中，这样，将得到电压值回算到电阻值，这样进行查表，当电阻位于某一段之间时，再进行直线处理，这样系统的线性化程度比较高可以达到0.2%。

D/A转换系统采用373芯片作为锁存器，采用权电阻网络进行D/A这样可以节省成本，而且精度也可以得到保证。

最后再经过一个电压电流转换部分，把信号以III型信号传送出去，完成模块的功能。

三、整机硬件设计

3.1采样部分

采样部分电路如图1所示，PT100以三线制接到J0，这样连接PT100的两侧的导线长度相等，而且分别加在两侧的桥臂上，这样导线电阻得以消除，当PT100输出100Ω时可以调节R1的阻值，以调整温度下限，当温度范围是0~300℃时，电桥电压经过放大后，Anolog0的电压正好是0~5V，这样可以完整使用单片机的A/D器的转换精度。

3.2主机电路部分

CPU采用Atmega16 ，它自带八路10位A/D转换器，转换速度快，精度高，而且不需要外扩任何器件。74LS138用来议码，分别选通各路的锁存器。采用8M的晶振，速度完全可以满足系统的要求。A/D转换的参考电压直接是VCC这样可以节省节省硬件，简化电路，在对精度要求较高的情况下可以选择精密稳压器件如TL431等。

3.3D/A转换部分

为了节省成本，本系统没有采用专用D/A转换芯片，而是运用D/A转换的原理，利用权电阻网络进行D/A转换这样精度可以保证，而且速度比较快，cpu控制也是比较简单的。电路如图3所示。

74ls373锁存器，锁存cpu每次更新的数据，OE引腿接138芯片的片选信号，LE 下降沿时数据锁存。

3.4 V/I转换部分。

如图4 将A/D转换后得到的电压信号，转换成4-20mA III型信号输出。

I=V/R3

3.5 RS485通讯端口的设计电路如图5所示

通讯芯片选用MAX485芯片，将收允许和发允许接在一起，用一个口线进行控制，正常情况下，收允许，在需要发送的时候，设为发允许。

四、软件设计

软件设计是本系统的关键，也是与众不同的地方。一般的铂电阻转III型信号的模块都是采用模拟电路没有软件部分。本系统采用数字化线性校正将大大提高模块的精度。软件的流程图。软件分主程序，和中断服务子程序，所有程序均由C语言编写。程序在ICCAVR6.30调试通过。

五、结语

基于单片机的PT100－III型信号转换模块具有，精度高，可数字通讯，可升级等优点，本模块已经用于多个火力发电厂烟气温度检测，其中采用III型信号和数字通讯的都有，均取得了良好的效果。

参考资料：

1. AVR高速嵌入式单片机原理与应用 北京航空航天大学出版社 耿德根等编著

2. AVR单片机C语言编程实例 清华大学出版社 金春林等编著

作者简介：王爱华 男 1981年9月出生 2003年毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业，目前供职于浙江佳环电子有限公司。2001曾经设计微机控制的LED大屏幕获得全国大学生科技创新三等奖。现阶段主要设计方向是现场在线分析仪表，正在设计基于光谱法的水质在线监测系统。

8路 pt100 转 4-20mA 模块 设计