实验题目：气象行业高精度温度测量探究性实验

1. 课程简要信息

课程名称：《创新实践》课程学时：32 学时适用专业：电子信息工程学生年级：大三学年上学期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

我校电子信息工程专业为国家级一流本科专业、国家级特色专业建设点。面向地方经济社会发展和中国气象行业信息化发展需要，培养能承担气象探测、电路与系统等领域研发工作的工程技术人才。本实验项目基于 OBE 理念，依托气象仪器实验室，面向高年级本科生开展气象行业观测技术与仪器装置实验研究。

任务：

不同行业领域对温度测量范围、精度、传感器类型的要求不同。气象行业的温度测量具有高精度的特点，传统实验项目中采用 18B20,SHT75 等设计的测温系统误差远不能满足气象行业的需求。

本项目采用 PT100 热电阻作为温度传感器，通过多种高精度措施，设计满足气象行业应用的温度测量系统。

要求：

（1）传感器和测量电路距离

自动气象站的 PT100 传感器通常置于百叶箱内，离采集器较远。要求设计的测量系统类似该布局，即PT100传感器到系统测量端的接线长度大于 $1 \mathrm { m }$ （必须考虑线阻的影响）。

（2）测量范围和误差

测量技术指标满足我国新型自动气候站观测标准（《自动气候站观测规范》GB/T33694-2017）。温度和对应电阻的测量范围： ${ } - 5 0 \ { } ^ { \circ } \mathrm { C } \sim { } 5 0 \ { } ^ { \circ } \mathrm { C }$ （80.31 Ω~119.40 Ω）；最大允许误差： $\pm 0 . 1 \textrm { \textit { C } } ( \pm 4 0 \mathrm { m } \Omega )$ ；分辨力： $0 . 0 1 \mathrm { ~ \normalfont ~ \mathcal ~ { C } ~ }$ ；

说明：作品测试时采用实验室不同阻值的标准电阻（温漂： $1 \mathrm { P P M / \mathrm { ^ { \circ } C } }$ ，精度： $1 0 ^ { - 4 }$ ）接入预留传感器接线端子，根据阻值与温度关系计算误差。

（3）高精度硬件电路措施

从PT100接线方式（二线、三线、四线制）、新型集成电路器件运用、比率式测量方法、线性隔离等角度出发，采取硬件措施保障系统的测量精度。

（4）高精度软件措施

从采样滤波、传感器特性曲线最小二乘法拟合或查表插值等角度出发，采用软件措施进一步提高测量精度，使得最大误差小于 $\pm 0 . 0 5 \ : \ : \ : \mathrm { ~ C ~ } ( \pm 2 5 \ : \mathrm { m } \Omega )$ 。

设计校准补偿电路和方法，实现对系统的定期校准，以应对传感器的老化。

（5）人机交互功能

系统采用TFT屏显示测量值，并可通过串口返回上位机显示。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

（1）调研分析

通过对市场温度传感器技术指标的分析，结合我校特色课程《气象仪器》，查阅《自动气象站实用手册》和《自动气候站观测规范》（GB/T 33694-2017），明确气象行业对温度测量的技术指标要求。

（2）提出初步方案

通过对温度传感器 PT100 的资料分析，结合设计要求，设计激励源和信号变换电路，提出系统设计初步方案。

（3）方案优化

通过对实验室自动气象站数据采集器温度通道的解剖分析，掌握 PT100 四线制测量原理，改进传感器接线方式提高精度，优化电路方案。

（4）器件选型

分析ADI或TI公司集成电路在线应用资料，选择集成激励电流源的ADC器件，掌握比率式测量方法，运用新型器件来优化测量电路。

（5）电路设计

分析线性隔离器件在精密测量中的应用。选择合适的隔离器来对实现测量电路的模数隔离、电源隔离，减小电路干扰。

（6）软件构思

构思系统校准补偿、上位机显示、本地显示的实现方法，考虑参数存储、串口中断服务程序的功能。

（7）程序编写

掌握单片机实现采样滤波的方法，编写采样滤波的处理程序。

（8）数学方法运用

掌握最小二乘法、查表线性插值法拟合传感器曲线的方法，根据PT100分度表，利用Matlab 拟合出温度和电阻的转换函数。

（9）校准程序编写

掌握测量仪器中常采用的零满度线性校准补偿方法，构思校准补偿步骤，编写相应的程序实现对系统的软件补偿。

（10）电路调试

设计PCB，结合上位机串口调试助手，进行系统调试；

（11）数据测试

利用实验室台式万用表、标准电阻（温漂： $1 \mathrm { P P M / \mathrm { ^ { \circ } C } }$ ，精度： $1 0 ^ { - 4 }$ ）和自动气象站数据采集器对系统进行测试，记录误差，观察校准补偿的效果。

（12）作品验收

作品测试，撰写设计报告，并通过PPT答辩，总结精密测量的保障措施。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

（1）背景来源

这是一个源于气象行业，采用模拟传感器PT100四线制高精度测温的真实案例；

注重新型器件的选型运用、硬软件抗干扰措施、零满度校准补偿等测量仪器的设计概念与工程技巧。

（2）专业知识

需要事先掌握传感器原理、激励源设计、信号调理、模数信号转换、四线制电阻测量、单片机控制、串口通信、人机交互等专业知识。掌握最小二乘、线性插值等数学方法，以及熟练使用现代电子系统设计的软件 IAR、Altium、Matlab 等。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

基于 OBE 理念，通过查阅目前我国自动气象站的观测标准，结合对我校气象仪器实验室自动站数据采集器的电路解剖，设计一个具有行业应用针对性和完整工程背景的温度测量系统。使学生掌握模拟传感器测温原理、信号变换电路的设计以及单片机应用能力。

（1）培养胜任行业需求的专门技术人才

该项目使学生熟悉气象行业中气温、地温的观测方法和技术指标，培养能胜任气象探测领域仪器的设计和研发能力（我校工程教育认证专业培养目标2）。

（2）增强数学方法与专业知识融会贯通的能力

该项目使学生掌握最小二乘法、查表线性插值法等传感器曲线拟合的技巧，培养能综合运用数理基础和电子信息专业知识进行项目设计的能力（我校工程教育认证专业培养目标1）。

（3）提高实际工程项目设计的能力

该项目提高学生运用新型器件、比率式测量、硬件或软件措施提高精度、系统的校准补偿等仪器开发工程能力。培养及时跟踪电子信息工程专业领域技术发展动态的能力（我校工程教育认证专业培养目标5）。

6. 教学设计与引导

本实验项目来源于气象行业应用背景，支撑我校电子信息工程专业认证目标。设计过程贯穿行业需求分析、实际产品电路解剖、比对测试，具有较完整的工程实践

过程。

通过方案论证、器件选型、电路设计、硬软件措施保障、校准补偿等环节设计测量系统。在实验教学环节，在以下几个方面进行引导：

（1）设计电路前

$\textcircled{1}$ 安排任务，文献阅读

让学生查阅文献资料，了解典型温度传感器的原理和技术指标，熟悉我国气象行业温度测量要求和传感器特性。

$\textcircled{2}$ 原理分析与讲解

为满足气象行业温度测量技术指标，指导学生从传感器接线方式上考虑提高精度的方法。讲解两线制、三线制、四线制 RTD 的原理和差异。

（2）设计电路过程中

$\textcircled{1}$ 引导熟悉新器件

学生通过浏览ADI、TI 等公司电子器件资料，选择合适的ADC器件，为减少电路复杂度，引导学生熟悉并采用集成了激励电流源的 ADC器件。

引导学生了解新型线性隔离器件的应用场合，选择合适的隔离器件设计硬件抗干扰电路。

$\textcircled{2}$ 指导模块电路设计

指导学生设计电阻/电压转换电路、信号调理电路的实施方案，提出激励电流源的设计电路，采用Altium Designer设计规范的电路原理图。

$\textcircled{3}$ 对电路理论计算提出要求

要求学生根据温度测量的技术指标，结合 PT100 阻值和温度的关系，分析计算ADC器件的输入电压范围、参考电压、分辨力等。

$\textcircled{4}$ 检查 PCB的规范性

学生在对 PCB 打样前，对整个 PCB 的布局布线规范性和合理性给出建议，让学生不断优化提高。

（3）调试过程中

$\textcircled{1}$ 指导硬、软件联调

指导学生采用IAR调试工具观察程序执行结果，利用调试工具完成程序编写；

$\textcircled{2}$ 提出测试要求

要求学生利用高精度台式万用表和极低温漂标准电阻对自己设计的系统进行测试和误差分析，思考进一步提高精度的措施。

$\textcircled{3}$ 引导改进

引导学生考虑采样滤波、最小二乘法拟合、零满度校准等软件补偿的思路，让学生编写程序实现。观测校准后精度改善情况。

（4）实验结束后

组织学生进行答辩演示，汇报电路方案和设计亮点。

撰写设计报告时，要注意不同电路方案的比较和思考、报告的规范性、全文结构的逻辑性。

7. 实验原理及方案

（1）传统硬件方案及问题

任务安排给学生后，大部分学生提出了图 1 的硬件实施方案。PT100 两端点 1、2 通过导线与测量电路的输入端子 3、4 相连。采用运放和基准电压源设计恒流源，输出电流 $\mathrm { I } { = } 1 \ \mathrm { \ m A }$ 作为激励信号，将 PT100 阻值的变化变换为电压的变化，两端电压微弱，采用仪表放大器AD620 放大调理，根据模数转换器ADC 的输入电压范围，利用运放设置电压偏置调整电路。16 位串行 ADC 完成采样后送入微控制器计算，根据电阻和温度函数关系，显示温度值。

图1 硬件方案1

该方案存在以下主要问题，难以满足设计要求。

$\textcircled{1}$ PT100 采用两线与测量端相连，导线电阻对测量误差影响大；

$\textcircled{2}$ PT100的阻值根据电压U和电流I 计算得到，这对电流I 提出了很高要求，其精度和噪声都会制约测量的精度；

$\textcircled{3}$ 为提高测量的分辨力，须考虑电压信号与ADC输入电压范围的匹配程度。放大器的失调电压、ADC的参考电压等直接影响测量结果；

$\textcircled{4}$ 数字系统和模拟系统之间没有任何抗干扰措施，单片机系统运行时在电源上产生的脉冲干扰会串扰到整个系统中。

（2）优化后的硬件方案

针对传统方案的不足，结合对我国自动气象站温度测量通道的原理分析。须采用四线制测量方法来消除线阻的影响，同时采用比率式配置来减少系统设计复杂度，设计方案如图 2。

图2 优化硬件方案2

系统以新型ADC器件AD7793 为核心，该集成电路适合于精密测量，内置了两个恒流源，可通过寄存器开启，简化了模拟电路设计。测量通道有四个端口 E、H、L、C。端口E和C 为电流通道，内置恒流源I 从E端口输出，经过铂电阻Pt100 后从C端口流入标准电阻Rref（ $1 2 5 \Omega$ ，极低温漂、高精度）。H、L端口之间为Pt100上的差分电压Ux，通过无源滤波电路后，进 AD7793 的差分通道 $\mathrm { A 1 I N + }$ 、A1IN-。模数转换后对应的数字量为 $\mathrm { D x }$ 。标准电阻 Rref一端与 AD7793 的参考电压正极性端REFIN $\dotplus$ 相连，直接采用标准电阻 Rref 两端的电压差作为参考电压 Uref。则有：

$$ \frac { U _ { x } } { U _ { r e f } } = \frac { I R _ { x } } { I R _ { r e f } } = \frac { R _ { x } } { R _ { r e f } } = \frac { D _ { x } } { D } $$

其中，Dx为被测电压模数转换的数字量，D为24位ADC的满量程数字量 $2 ^ { 2 4 }$ ，可计算被测电阻：

$$ R _ { x } = \frac { D _ { x } } { D } R _ { r e f } $$

该方案中提高精度的保障措施有：

$\textcircled{1}$ 采用四线制测量，减少了线阻的影响；

$\textcircled{2}$ 集成电流源的新型 ADC 器件提供激励信号，通过寄存器配置输出，减少了外围电路的复杂度；

$\textcircled{3}$ 采用比率式测量，使得测量精度与参考电阻相关，与恒流源的精度和噪声无关，而低温漂、精密电阻（ $1 \mathrm { p p m / C }$ ,精度万分之一）在市场上已经有成熟的产品；

$\textcircled{4}$ 采用比率式测量，使PT100两端电压范围与参考电压易匹配，减少调理电路；

$\textcircled{5}$ 采用集成线性隔离器件对电源和总线隔离，减少微控制器对模拟部分的影响；

$\textcircled{6}$ 利用EEPROM设计误差补偿存储电路，配合电脑终端，将补偿值写入存储器。

（3）提高精度的软件措施

$\textcircled{1}$ 最小二乘法拟合传感器曲线为提高温度的测量精度，在Matlab中采用最小二乘法对Pt100温度传感器进行拟合

。根据拟合后的误差平方和最小原则衡量拟合的效果。若设温度与电阻的实际函数关系为 $f ( R _ { i } )$ ，拟合函数为 $g ( R _ { i } )$ ,其中 $R _ { i }$ 为电阻阻值的第 $i$ 个离散点。拟合误差表示为：

$$ \varepsilon _ { i } = \left| f ( R _ { i } ) - g ( R _ { i } ) \right| $$

拟合函数与实际曲线的误差的平方和为式(3)。若使得 $\varepsilon$ 最小，则找到了最佳的拟合函数 $g ( R _ { i } )$ 。将 $g ( R _ { i } )$ 可假定为一次或二次函数。若为一次函数则为线性拟合，二次函数为曲线拟合。

$$ \varepsilon = \sum { \varepsilon _ { i } } ^ { 2 } $$

拟合后温度T和电阻Rx的函数关系为：

$$ T = 9 . 7 4 \times 1 0 ^ { - 4 } R _ { x } ^ { \ 2 } + 2 . 3 6 4 \times R _ { x } - 2 4 6 . 1 2 2 $$

$\textcircled{2}$ 采样滤波

微控制器采样滤波常用的方法有：算术平均滤波（采样N次求平均值）、中值滤波（采样N次排序后取中间值）、去极值平均滤波（去掉最大最小值后求平均值）。利用IAR开发平台，调试读取采样值，观测数值变化，选取合适的滤波方法对测量值进行处理。

$\textcircled{3}$ 查表线性插值

在单片机程序中建立PT100阻值与温度的分度表，根据测量值Rx查表，确定测量值所在的区间R[i] ${ \mathrm { < R X } } { \mathrm { < R } }$ [i+1]，邻近点R[i]、R [i+1]对应温度区间T[i] 、T [i+1]，在邻近点之间线性插值，计算Rx对应的准确温度值Tx。

（4）电路设计参考方案

图3 微控制器最小系统及电气网络接口

图4 电源和SPI总线隔离电路

图5 测量电路

图6 串口通读及误差参数存储电路

图7    测试系统使用的标准电阻（1PPM/℃，精度 $1 0 ^ { - 4 }$ ）
图8    学生设计电路

图9 学生设计测量电路PCB

图10 学生设计的四线制铂电阻温度采集系统

8. 教学实施进程

要求学生通过查阅相关学术文献、气象行业规范、新型集成电路器件资料，结合实际产品测试，给出系统设计方案，通过与教师沟通方案、确定最终的设计电路，在开放实验室进行设计、调试。最终根据作品测试指标、PPT答辩和设计报告，给出最终成绩。实施进程如下：

（1）任务安排学生自由组合，两人一组。解读项目的技术指标和测试标准。
（2）查阅资料，问题分析针对项目技术指标要求，查阅文献、器件资料等，明确设计目标和关键题。
（3）方案汇报与优化各小组以PPT形式汇报自己的总体方案，教师提出改进意见，优化电路方案。
（4）细化具体电路在明确总体方案的基础上，各小组采用Altium Designer设计具体电路及PCB。
（5）程序编写编写单片机主程序、中断服务器子程序、ADC采样子程序等。
（6）硬件及程序调试下载程序，调试电路，利用实验室的测量仪器测试并不断提高系统精度。
（7）作品测试与答辩教师对每组作品测评，在测试表上记录数据，针对电路提出具体问题答辩。
（8）总结演讲各小组通过PPT展示作品的设计电路、测试数据、亮点、问题、展望等。
（9）提交设计报告各小组按照规范要求撰写设计报告，教师批改并给出成绩。

9. 实验报告要求

每小组提交的实验报告需要展现以下工作：

（1）背景分析项目相关产品的应用背景调研分析；
（2）需求分析系统功能和技术指标的需求分析，对设计任务有准确的理解；
（3）总体方案论证总体硬件方案的论证，给出硬件组成示意图并进行简要阐述；
（4）电路设计和计算电路设计与参数选择依据和计算，给出规范的电路设计图；提出具体高精度硬件保障措施并进行论述；

（5）软件设计

软件设计流程图，包括单片机主程序、中断服务和其它关键子程序流程；
提出具体的高精度软件保障措施；

（6）系统测试和分析

阐述系统测试平台、方法、过程；
给出实验数据和误差分析；

（7）总结和展望

指出实验过程中存在的不足，思考改进措施和未来应用前景等。

10.考核要求与方法（限 300 字）

（1）实验原理 $1 0 %$ )是否对设计作品的原理和电路有深入的理解；

（2）作品验收 （ $2 0 %$ ）是否独立完成实验项目，作品功能和技术指标的完成程度情况；

（3）实验质量 $2 0 %$ )电路PCB设计的合理性、测试仪器使用的熟练程度等；

（4）自主创新 $2 0 %$ )新型器件的运用、设计亮点和扩展功能、提高精度的措施等情况；

（5）实验成本 $1 0 %$ )电路器件和开发平台选择的合理性，能否利用学校已有资源，成本核算。

（6）数据分析 $1 0 %$ )运用Matlab工具对传感器曲线拟合、作品测试数据的分析能力；

（7）实验报告 $1 0 %$ )实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

（1）工程背景性

实验项目具有明确的气象行业应用背景，满足了特色专业建设、工程教育专业认证培养目标的需求；

（2）方法多样性

提高系统精度采取措施的多样性；激励源设计方案的多样性；测量方法的多样性；软件保障措施的多样性；

（3）设计技巧性

将新型器件的运用、抗干扰措施、零满度校准等仪器设计技巧融入到实验项目中，培养了学生的工程设计能力。

（4）学科融合性

将最小二乘法、线性插值法等引入到实验项目中，提高学生综合运用数学思维和专业知识解决工程问题的能力。

12. 支撑材料

（1）毕业学生受到中国气象局报道

我校电子信息工程专业学生梁恒飞在校期间参加了该实验项目训练，设计了简易的自动气象站。毕业后在气象局工作，自主开发了便携式自动气象站，受到中国气象局宣传报道。在校期间从事气象仪器的设计实验，为他后来的工作奠定了较好的专业基础。

中国移动4G

14:50

悦读梁恒飞：从小发明里找寻人….

中国气象局

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梁恒飞：从小发明里找寻人生“坐标”

中国气象报通讯员林长江李业荣

便携式五要素应急自动气象站、暖云增雨无人机、防雷检测仪.....你或许不敢相信，这是一位普通的基层气象业务人员平日里钻研的课题。

梁恒飞2013年来到贵州省荔波县气象局工作。5年来，气象局的所有"工种"他都干过，气象观测、气象预报、财务管理、防雷检测、人工增雨防雹、自动气象站维护、空飘气球施放等。几年下来，梁恒飞觉得自己什么都会了，可又觉得什么都不会。每天都很忙，却又不知道自己的"坐标"在哪里。迷惘和惆帐之中，他觉得自己与当初所学的专业渐行渐远。

梁恒飞上小学和初中的时候，学校经常组织学生到气象局参观学习，气象局的叔叔阿姨鼓励大家

14:50 梁恒飞：从小发明里找寻人...

中国气象局

经过一番思索和考量，梁恒飞决定锁定人生"坐标”，扎根气象，把自己的专业知识与气象工作有机结合起来，努力地做点什么。

梁恒飞发现在气象应急工作中使用的五要素便携式自动气象站存在体积大、不易运输、组装复杂、读取数据不方便等问题。他打算设计一款体积小、重量轻、好运输和免安装的一体式轻型五要素便携式自动气象站。

梁恒飞在研制便携式自动气象站。

他用三个多月的时间重新温习电子专业知识,

图11 中国气象局报道毕业生从事气象仪器的研制工作

（2）教学大纲

课程名称创新实践I、I

( Innovation Entrepreneurship and Practice I、 II)

课程代码：9160889、9160889
学分：2、2
学时：（其中：课题教学学时：0实验学时：0上机学时：0课程实践学时： $3 2 + 3 2$
先修课程：模拟电子线路、数字逻辑电路、单片机原理与应用、CPLD/FPGA设计
适用专业：电子信息工程
教材：自编讲义
开课学院：电子与信息工程学院

课程性质与课程目标

（一）课程性质

《创新实践I、II》是电子信息工程专业的一门实践性很强的专业课。它是建立在模拟电子线路、数字逻辑电路、单片机原理与应用、CPLD/FPGA设计等先修课程知识的基础上。创新创业实践是重要的综合性与实践性教学环节，对培养学生的实际动手能力具有不可替代的作用。课程目的和作用是使学生在已有理论知识的基础上，根据创断课程的任务要求，利用新型电子器件，采用合理的电路方案实现系统功能技术指标要求，分析和解决电子系统设计工程的实际问题，从而增强学生的创新意识、启发学生的创新思维、提高学生的创新能力、培养学生自主学习和动手能力。

（二）课程目标

《创新实践I、II》课程主要是让学生以小组为单位设计一个综合性和创新性的电子系统。设计的系统具有创新的功能或较高的精度，或采用较新的电子设计平台。系统注重典型电路模块的运用，通过资料查找，设计方案的对比与论证，电路PCB设计，电路调试和优化等环节，培养学生的动手实践能力和创断意识。实验项目主要包括典型模拟电路的设计、单片机控制系统的设计、CPLD或FPGA系统的设计、单片机与CPLD的综合设计、FPGA软核的应用等项目。

课程目标1：掌握利用新型微控制技术和器件完成具有较高功能指标的仪器仪表的设计方法。系统硬件由信号调理、数据转换、微控制器、人机交互等模块组成。利用单片机或CPLD或FPGA作为主控制器，结合新型器件设计一个完整的、有一定创新的电子系统。要求学生以小组为单位，查找资料，注重器件选型，方案的经济性、新颖性，通过方案对比与论证，在老师的指导下，提出最佳设计方案。并进行系统调试。

可选的实验项目包括：（1）基于PT100的四线制高精度测温系统、（2）基于DDS技术的宽带信号源、（3）程控宽带增益放大器的设计、（4）李萨如图形演示装置、（5）高精度信号变送装置、（6）温度等多要素记录仪的设计、（7）电感电容测量仪的设计、（8）基于CPLD或FPGA的VGA显示系统、（9）基于CPLD或FPGA的等精度数字频率计、（10）基于CPLD或FPGA的脉冲参数测量

（3）学年实验报告目录

目录

1、引言 .5

2、总体设计方案 6

2.1设计方案 .6
2.2方案论证 .6

3、系统硬件设计 .7

3.1主控模块

3.2信号调理模块 9

3.2.1热敏电阻PT100自身的电阻值 .9
3.2.2四线制测温 .10
3.2.3测温电路整体图 .11

3.3AD 转换模块. .11

3.4显示模块 12

3.5ISP下载器模块

3.6系统原理图 .13

4、系统软件设计 15

4.1主程序流程图 15

4.2AD转换流程图 .15

5、系统的测量 .16

6、总结 .18

7.参考文献 .18

致谢 .20

（4）教学活动照片

参赛信息表