1 系統(tǒng)工作原理

　　由于太陽能熱水器的工作環(huán)境限制，將下位機(jī)(PIC16F877)置于集熱現(xiàn)場,，主要實(shí)現(xiàn)溫度采集功能,，溫差循環(huán)控制功能，即控制循環(huán)泵,、上水閥,、輔助電加熱器,、伴熱帶的啟停,，并與上位機(jī)(PIC16F877)進(jìn)行485通信,，將采集的溫度水位信息送到上位機(jī)去顯示,。

　　系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　溫度采集處理電路的主要功能是將鉑電阻傳感器采集的溫度信號,，經(jīng)橋式信號檢測電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,，再經(jīng)弱信號儀表放大器MCP602進(jìn)行兩級放大,，及非線性A／D轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換成能夠識別的數(shù)字量，暫存在單片機(jī)的存儲器中,。

　　2．1 溫度采集電路設(shè)計(jì)

　　溫度采集電路是將單片機(jī)的RA2,、RA3,、RA4連接多路選擇芯片CD4051的地址位A、B,、C端口,，由單片機(jī)設(shè)定采集哪一路溫度信息，將RA0設(shè)定為模擬通道,。

　　2．2 放大倍數(shù)的計(jì)算

　　本設(shè)計(jì)放大電路選用MCP602作為放大器,，由其構(gòu)成的放大電路圖如圖2所示。其中：VREF=0 V,，R1=300 kΩ,，R2=10 kΩ，這是一個(gè)簡單的2級放大電路,，通過調(diào)節(jié)可變電阻RG可以改變其放大倍數(shù),，便于以后的調(diào)試。兩級放大后的輸出電壓VOUT：

　　通過電橋電路采集來的信號比較微弱,，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，才能轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能識別的0 V到5 V的信號。為此,，要合理地設(shè)定可變電阻RG的值來選擇合適的放大倍數(shù),。選擇過程如下：

　　當(dāng)RG=20 kΩ，放大倍數(shù)約為61倍,。在溫度T=99℃時(shí),，PT1000的阻值為R=1381．26Ω，則得到VOUT=2．806 V,。盡管VOUT在界限0～5 V之內(nèi),，但靈敏度較小，故將RG調(diào)整到10 kΩ,。

　　當(dāng)RG=10 kΩ，放大倍數(shù)為91倍,。在溫度T=99℃時(shí),，PT1000的阻值為R=1381．26Ω時(shí)：VOUT=4．186 V。此時(shí),，在0～99℃溫度范圍內(nèi)電橋的輸出是0～4．186 V,，VOUT在0～5 V范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求,。因此設(shè)計(jì)中選擇尺RG=10 kΩ,，放大倍數(shù)為91倍。

　　2．3 溫度測量中的誤差分析及解決辦法

　　當(dāng)用鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測量時(shí),，存在一定的誤差,。它的誤差主要有4個(gè)來源：鉑電阻自身的非線性,；鉑電阻電橋輸出的非線性；鉑電阻的引線電阻,；測溫電路本身帶來的影響,。

　　1)鉑電阻的非線性

　　對于鉑電阻PT1000，在0～650℃溫度范圍內(nèi)其阻值與溫度的關(guān)系為：

　　式中,，Rt-溫度為t℃時(shí)的電阻值,；R0-溫度為0℃時(shí)的電阻值；A=3．908x10-3℃-1,；B=-5．802x10-7℃-2,。

　　由式(1)可知，鉑電阻阻值與溫度并不是線性關(guān)系,，而是一個(gè)上凸的曲線,，如圖3所示。若只計(jì)線性項(xiàng),，上式變?yōu)椋?/p>

　　此時(shí),，鉑電阻阻值與溫度是線性關(guān)系。在100℃時(shí),，若只記線性值Rt*=1 390．8 Ω,，而R1=1 385．0Ω，絕對值誤差為5．8Ω,，相對誤差為4．2％,，回代到式(2)中，溫度誤差超過1．4℃,。顯然鉑電阻的非線性給測量帶來了誤差,。

　　2)鉑電阻電橋輸出的非線性

　　鉑電阻典型應(yīng)用電路如圖4所示。圖中R3為鉑電阻的阻值,，(其中為鉑電阻在0℃時(shí)的阻值),，R1=R2=39 kΩ。

　　則輸出電壓△U等于：

　　3)鉑電阻的引線電阻

　　因?yàn)闇y溫電路是不平衡電橋,。鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻,，其連接導(dǎo)線(從鉑電阻到控制單元)也作為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,，造成測量誤差,。但由于鉑電阻PT1000的阻值較大，所以這個(gè)因素可以忽略,。

　　4)測溫電路本身的影響

　　由于電源電壓的抖動,、外界于擾，AD通道的互相干擾等都會造成溫度測量的不確定性,，因此必須通過合理的電路設(shè)計(jì)才能消除這些因素的影響,。

　　考慮到鉑電阻阻值和溫度的非線性以及電橋電路本身的非線性,，本文提出兩種方案，下面分別加以介紹,。

　　方案1：查表法

　　由鉑電阻的電阻-溫度分度表查出每一度對應(yīng)的電阻值Ri,，帶入式(3)中可以得到電橋?qū)?yīng)的輸出電壓△U(i)，再根據(jù)式(4)就可以得到對應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值A(chǔ)D(i),。

　　式中,，K為MCP602的放大倍數(shù)。本文選擇91,。UREF為單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓,，等于5 V。

　　將計(jì)算得到的A／D轉(zhuǎn)換值是按照溫度大小做成表格存放在單片機(jī)的存儲器中,。當(dāng)測量溫度時(shí),，先讀取A／D轉(zhuǎn)換值，然后采用對分查找的算法用單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果AD(t)與EEPROM中存放的表格值A(chǔ)D(i)作比較,，每次取表格的中間值A(chǔ)D(m),，如果AD(t)>AD(m)，則下次比較時(shí)取表格的后半部的中間值做比較,，如果AD(t)　　方案2：最小二乘法

　　由于鉑電阻阻值和溫度的非線性以及電橋電路本身的非線性，使得溫度和電橋輸出電壓之間的關(guān)系變得很復(fù)雜,，而且也沒有一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)來描述它們之間的關(guān)系,，下面就介紹最小二乘法,，利用最小二乘參數(shù)估計(jì)理論來建立溫度傳感器的數(shù)學(xué)模型。

　　對太陽能熱水器的水箱溫度在標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行溫度實(shí)測(可用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱或電位器來模擬鉑電阻在各個(gè)標(biāo)定點(diǎn)實(shí)測),，得到幾組數(shù)據(jù),，即(V1，T1),，…(Vi,，Ti)，…(Vn,，Tn),。其中輸入量為電橋輸出電壓Vi，輸出量為溫度Ti,。

　　設(shè)有一個(gè)m次多項(xiàng)式：

　　根據(jù)最小二乘法原理,，使得在所有給定標(biāo)定點(diǎn)，多項(xiàng)式T(Vi)的值與實(shí)測輸出值Ti的偏差平方和達(dá)到最小值,，即　　  

　　由此可以建立m+1個(gè)方程組,，求解出a0，a1,，…,，am未知量，確定出多項(xiàng)式T(Vi)的表達(dá)式,。

　　求解方程組用矩陣分析方法,，得到參數(shù)向量為

　　求解采用計(jì)算機(jī)遞推法求解，先設(shè)m=1,，將測量值帶入矩陣公式中計(jì)算A,。逐點(diǎn)計(jì)算誤差△i=Ti-T(Vi)，看是否超差,，如果超差則升階,，令m=2，重新計(jì)算A,，直到不超差為止,，此時(shí)多項(xiàng)式模型即為傳感器數(shù)學(xué)模型。

　　此方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)所建立的數(shù)學(xué)模型整體優(yōu)化,，適合非線性較大的傳感器模型的建立,。但應(yīng)用于本文時(shí)需要擬合出高階的數(shù)學(xué)模型，其運(yùn)算量較大,。另外,，在以主頻為4MHz的單片機(jī)上做運(yùn)算，其速度較慢(多次加,、乘運(yùn)算),，所以本文采用方案1,。

　　3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　溫度采集處理的軟件流程如圖5所示，其中包括了啟動溫度電路,、寄存器的配置,、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出、查找得溫度等部分,。首先進(jìn)行A／D初始化設(shè)置,，將點(diǎn)電源電壓VCC作為比較電壓，同時(shí)設(shè)定RA0作為模擬輸入通道,，開啟入水口溫度采樣通道之后,，啟動A／D轉(zhuǎn)換。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換允許位GO／DONE=1時(shí),，將得到的采樣值送入到折半查找程序中,，得出其溫度的整數(shù)部分M(t)，從而求出溫度t的數(shù)值,。計(jì)算完畢后返回,。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　使用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱模擬鉑電阻溫度傳感器，每一個(gè)電阻值對應(yīng)著一個(gè)溫度,，構(gòu)成測溫電橋的橋臂,，得到差動電壓，通過萬用表測量,。經(jīng)過MCP602放大后,，送入單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。由于單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換是十位的,，因此分別存儲在寄存器ADRSEH和ADRSEL中,，再通過對分查表法，將對應(yīng)的溫度值事先在觸摸屏上顯示出來,。采集的溫度和實(shí)際的溫度對照如表1所示,。

　　由表可知，在10～80℃溫度范圍內(nèi),，溫度測量的誤差最大是±1℃,。能夠滿足太陽能熱水器的采暖和洗浴的要求。

　　5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)采用鉑電阻作為太陽能熱水器的溫度傳感器,。實(shí)際研究結(jié)果表明,，該傳感器和以往的類似傳感器相比溫度控制精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),，提高了我國太陽能應(yīng)用領(lǐng)域控制水平,。