我們已經討論過多種溫度檢測方式，但我們尚未關注熱電阻溫度檢測，但熱電阻測溫在工業環境中是非常常見的。盡管有很多集成的數字式的熱電阻接口元器件，但這些器件不但成本較高，靈活性也大打折扣。所以我們有時會使用更簡單靈活的電路來驅動RTD。而在這一篇中，我們將討論如何設計并實現RTD熱電阻測溫的驅動。

1、功能概述

??RTD熱電阻是常用的測溫元件。RTD的英文全稱為“Resistance Temperature Detector”，因此準確來說，它應該翻譯為“電阻溫度檢測器”。RTD是一種特殊的電阻，其阻值會隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減小。工業上利用它的這一特性進行溫度測量，因此RTD也被俗稱為“熱電阻”。

??并不是所有的金屬都適合做成RTD，符合這一特性的材料需要滿足如下幾個要求：

• 該金屬的電阻值與溫度變化能呈線性關系；
• 該金屬對溫度的變化比較敏感，即單位溫度變化引起的阻值變化（溫度系數）比較大；
• 該金屬能夠抵抗溫度變化造成的疲勞，具有好的耐久性；

??符合該要求的金屬并不多，常見的RTD材料有：鉑（Pt）、鎳（Ni）和銅（Cu）。對應的國家統一生產工業標準化熱電阻有三種：WZP型鉑電阻、WZC型銅熱電阻和WZN型鎳熱電阻。

1.1、鉑熱電阻

??鉑電阻是我們常用的RTD，鉑熱電阻采用溫度系數為3.885x10-3的元件，溫度和電阻的關系表達式：

??在-200℃~0℃為：

??在0℃~850℃為：

??其中：Rt溫度為t℃時的電阻；R0是溫度為0℃時的電阻。而各個系數均為常數：

??常數A=3.9083×10-3

??常數B=-5.775×10-7

??常數C=-4.183×10-12

??鉑熱電阻對應的測溫范圍是：-200℃~850℃。常見的型號Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的標稱電阻值。

1.2、銅熱電阻

??銅熱電阻也是在工業上常用的RTD，銅熱電阻采用溫度系數為：4.28x10-3的元件。溫度和電阻的關系表達式：

??其中，Rt是溫度為t℃時的電阻，R0是溫度為0℃時電阻，而各個系數長數的取值為：

??常數α=4.28x10-3

??常數β=-9.31x10-8

??常數γ=1.23x10-9

??銅熱電阻對應的測溫范圍是：-50℃~150℃。而常見的分類型號有：Cu50、Cu100等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的標稱電阻值。

1.3、鎳熱電阻

??另一種工業標準RTD則是鎳熱電阻。鎳熱電阻采用溫度系數為6.17x10-3的元件。溫度和電阻的關系表達式：

??其中，Rt是溫度為t℃時的電阻，R0是溫度為0℃時電阻，而各個系數長數的取值為：

??常數A=5.485x10-3

??常數B=6.65x10-6

??常數C=2.805x10-11

??鎳電阻對應的測溫范圍是：-60℃~180℃。而常見的分類型號有：Ni100、Ni300、Ni500等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的標稱電阻值。

2、驅動設計與實現

??我們已經了解了RTD的特性，以及不同材質的RTD溫度與點組的關系表達式。接下來我們就實現通過RTD檢測溫度的驅動。

2.1、對象定義

??在實現RTD的驅動之前，我們依然需要抽象并定義RTD對象，并將其聲明為對象類型。

2.1.1、對象的抽象

??在實現對RTD的操作之前，我們先抽象RTD對象。每一個RTD對象都有幾個共同的屬性：標稱電阻，溫度和類型。類型就是前面所描述的三種，我們將其定義為枚舉。對象的聲明如下：

/* 定義RTD類型枚舉 */
typedef enum RTDCategory {
    WZP，
    WZC，
    WZN
}RTDCategoryType;

/* 定義RTD對象 */
typedef struct RTDObject{
    float nominalR;     //RTD標稱電阻
    float temperature;       //所測溫度
    RTDCategoryType type; //RTD類型
}RTDObjectType;

2.1.2、對象的初始化

??聲明一個RTD對象后，僅僅只是聲明了一個對象變量，在賦值之前尚不能使用。所以我們要使用初始化函數將其初始化之后才可使用。RTD對象的初始化函數如下：

/* 初始化RTD對象 */
void RTDInitialization(RTDObjectType *rtd，RTDCategoryType type，float nr)
{
    if(rtd==NULL)
    {
       return;
    }
   
    rtd->type=type;
    rtd->nominalR=nr;
}

2.2、對象操作

??前面我們已經提到了各類熱電阻的電阻與溫度的關系表達式。在這些表達式中，二次以上的項的系數其實是非常小的，所以在一般要求不高，溫度變化不是很大的場合基本就是線性關系。所以我們將其簡化為線性方程：

2.2.1、WZP鉑電阻

??鉑電阻的溫度與電阻的關系在0度以上和0度以下略有差別，但如果我們采用線性近似的話則是一樣的。所以我們采用線性方程實現如下：

/* 計算鉑電阻溫度 */
static float CalcWzpTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float a=0.0039083;
   
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/a;
rtd->temperature=temp;
   
return temp;
}

2.2.2、WZC銅電阻

??銅電阻的溫度與電阻的關系表達式相對復雜，但好在高次項的影響相對較小，我們依然可以使用線性近似來實現它。

/* 計算銅電阻溫度 */
static float CalcWzcTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float alpha=0.00428;
   
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/alpha;
rtd->temperature=temp;
   
return temp;
}

2.2.3、WZN鎳電阻

??鎳電阻的電阻溫度系數比鉑電阻和銅電阻都要好，但其線性度則不如鉑電阻，同樣的是其高次項的影響也相對較小，在溫度并不大范圍變化時仍然可以采取線性近似。

/* 計算鎳電阻溫度 */
static float CalcWznTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float a=0.005485;
   
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/a;
rtd->temperature=temp;
   
return temp;
}

2.2.4、統一溫度獲取

??面向不同類型的RTD，我們實現了各自的溫度轉換函數，但作為驅動函數庫，我們總是希望能進行無差別調用。所以我們希望設計一個統一的接口函數。所幸每種類型RTD操作函數均有相同的格式，于是我們就很容易想到使用函數指針來處理它。

float (*CalcTemperature[])(RTDObjectType *rtd，float rt)={CalcWzpTemperature，CalcWzcTemperature，CalcWznTemperature};

/*計算熱電阻測得的溫度*/
float CalcRTDTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
    float temp=0.0;

    temp=CalcTemperature[rtd->type](rtd，rt);

    return temp;
}

3、驅動的使用

??我們采用RTD測溫時可以使用這一驅動。其實用步驟分兩步：聲明并初始化對象；調用函數計算溫度值。接下來我們就來實現之。

3.1、聲明并初始化對象

??首先使用RTDObjectType類型定義RTD對象，如果有多個可以使用數組方式定義。RTDObjectType rtd；或RTDObjectType rtd[N]；的形式。其中N為數量。

??定義對象變量后和以調用初始化函數對齊進行初始化：

??RTDInitialization(&rtd，type，nr);

??其中type為RTDCategoryType枚舉類型，可以是鉑熱電阻（WZP）、銅熱電阻（WZC）和鎳熱電阻（WZN）。nr為所操作對象在0攝氏度時的標稱電阻值。

3.2、調用函數計算溫度值

??對象初始化后就可以操作對象來獲取對象當前時刻的溫度值。具體如下：

??CalcRTDTemperature(&rtd，rt)；

??其中rt為當前對象的電阻值。

4、應用總結

??我們實現了RTD的檢測，對得到的當前溫度電阻值，使用根本驅動就可以計算得到當前的溫度。

??本驅動支持鉑熱電阻（WZP）、銅熱電阻（WZC）和鎳熱電阻（WZN）。對于不同該類型，不同標稱值的對象均可以使用。不過需要注意：鉑熱電阻對應的測溫范圍是：-200℃~850℃；銅熱電阻對應的測溫范圍是：-50℃~150℃；鎳電阻對應的測溫范圍是：-60℃~180℃。超過范圍的將不被支持。