基于STM32的鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 剛，陳樹新

（北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

在電傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器電力器件進(jìn)行溫度監(jiān)測，防止電機(jī)和電力器件由于溫度過高而損壞，因此溫度的實(shí)時(shí)精確測量就顯得十分重要[1-4]。對(duì)于此類實(shí)驗(yàn)的溫度測量多采用PT100鉑熱電阻，鉑熱電阻具有準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直是工業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件[5-7]。

實(shí)際測量中，電機(jī)內(nèi)部的鉑熱電阻傳感器往往體積和功率較?。ㄍㄟ^電流小于1 mA），如果按照傳統(tǒng)的恒流源方法，不僅會(huì)使電阻發(fā)熱造成測量不精確，還會(huì)損壞鉑熱電阻傳感器[8]。另外，鉑熱電阻的信號(hào)線往往很長，會(huì)達(dá)到幾十米甚至上百米，由于引線電阻與PT100串聯(lián)，增大了電阻，會(huì)使得測量誤差非常大[9]。與此同時(shí)鉑熱電阻的非線性特性也會(huì)帶來一定的誤差[10]。

為解決以上問題，本文以STM32單片機(jī)為核心，采用三線制鉑熱電阻橋式測溫法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套具有CAN接口的測溫系統(tǒng)，用精密電阻箱對(duì)系統(tǒng)做了標(biāo)定，可在線精確測量溫度范圍（0～250）℃。文章對(duì)該系統(tǒng)的測量原理、模型、標(biāo)定方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了介紹。

1 鉑熱電阻測溫原理

鉑熱電阻溫度測量原理是將溫度值的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。通過已知的溫度和電阻的關(guān)系，用測量電阻的方法得出當(dāng)前溫度值。

鉑熱電阻的阻值RT與溫度T之間的關(guān)系是非線性的，如式（1）所示，當(dāng)溫度在（0～650）℃時(shí)，

其中：RT和R0分別是T℃和0℃電阻的阻值。

2 測溫系統(tǒng)模型

圖1為鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)組成框圖，圖中的STM32測溫模塊每一塊具有4路溫度采集和1路CAN通訊。具體運(yùn)用中可以根據(jù)工程中被測溫度數(shù)量，取用任意塊測溫模塊。測溫模塊可隨意安裝在方便測量鉑熱電阻信號(hào)的地方，所有測溫模塊通過CAN總線連接起來，在總線兩端配上終端電阻，將測得的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給動(dòng)力監(jiān)測系統(tǒng)或任何具備CAN通信的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸，在線測量。

圖1 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of temperature measuring system for thermistor

圖2為測溫系統(tǒng)的原理框圖，PT100經(jīng)過不平衡電橋后轉(zhuǎn)為毫伏電壓差信號(hào)，再經(jīng)過差分比例放大后送入STM32中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換運(yùn)算。把PT100的阻值信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓差信號(hào)。

圖2 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of temperature measuring system for thermistor

系統(tǒng)采用圖3中鉑熱電阻RT的三線式接法，設(shè)導(dǎo)線長度AB=AC=AD，即RAB=RAC=RAD，此接法相當(dāng)于在電橋兩路同時(shí)加入了電阻RAB、RAD和電阻RAC、RAD。對(duì)測量RT的阻值毫無影響，消除了兩線制接法中鉑熱電阻導(dǎo)線電阻帶來的誤差。

圖3 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)硬件原理圖Fig.3 Hardware block diagram of temperature measuring system for thermistor

圖3中UD為橋路所加電壓，通過選擇U101可以改變橋路電壓值，通過改變R1、R2的阻值可以調(diào)節(jié)通過鉑電阻RT的電流大小，因此可以根據(jù)鉑熱電阻傳感器的功率大小來改變通過它的電流大小，避免傳感器發(fā)熱損壞造成測量誤差。

由于電橋輸出的電壓差很小，如果直接用STM32的AD輸入來采集，電壓信號(hào)太弱造成數(shù)據(jù)偏差較大；所以本系統(tǒng)中將電壓差經(jīng)過差分比例放大后與電壓跟隨器相連，再送給STM32單片機(jī)采集。圖3中用來調(diào)節(jié)放大器增益，R4=R5，R6=R7，通過電路可以得到RT與UOUT的關(guān)系式：

3 測溫系統(tǒng)的標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理

為避免鉑熱電阻的非線性和不平衡電橋硬件電路非線性 （主要指放大器飽和部分帶來的非線性）所帶來的誤差，首先要對(duì)系統(tǒng)做標(biāo)定。

方法是通過恒溫箱得出PT100鉑熱電阻在（0～250）℃各個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的阻值，再用精密電阻箱代替PT100，即將圖3中的RT用精密電阻箱取代，調(diào)節(jié)精密電阻箱的取值，通過STM32的12位AD模塊進(jìn)行采樣，得到在各阻值下對(duì)應(yīng)的電壓輸出UOUT。如表1所示，數(shù)據(jù)只列出了每隔10℃的測量結(jié)果。

表1 測溫系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration data of temperature measurement system

表1中輸出電壓UOUT的范圍為（0～5）V，這主要取決于STM32的AD模塊輸入為（0～5）V。通過調(diào)節(jié)電阻R8的阻值可以改變輸出電壓UOUT的取值，也就等于改變了系統(tǒng)的溫度測量范圍。由于本系統(tǒng)主要用于電傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)中電機(jī)溫度和驅(qū)動(dòng)器電力器件溫度測量，所以選擇溫度范圍為（0～250）℃足夠。

為了進(jìn)一步減小由不平衡電橋電路帶來的非線性誤差，本文將表1中的結(jié)果用最小二乘法擬合，得到如圖4所示的曲線圖。

圖4 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合圖Fig.4 Calibration data of temperature measuring system for thermistor

圖4中的X軸為輸出電壓UOUT，Y軸為溫度。由此可以得到一個(gè)關(guān)于電壓和溫度的多項(xiàng)式：

式中：A=-0.099，B=52.64，C=-5.875。 通過 STM32 的12位AD模塊來采集電壓UOUT，再代入式（3）計(jì)算即可得到被測溫度值T。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Software flow pattern of temperature measuring system for thermistor

系統(tǒng)在第一次測量前，需要通過CAN總線來設(shè)定式（3）中的標(biāo)定擬合參數(shù)A、B、C。成功設(shè)定后便可以測得溫度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要通過CAN總線完成，采用主從式通信方式，即動(dòng)力監(jiān)測系統(tǒng)或帶CAN通信的上位機(jī)作為主機(jī)，STM32測溫模塊作為從機(jī)，每一個(gè)測溫模塊在采集到溫度之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后由主機(jī)發(fā)送指令確定其工作模式，工作模式1表示測溫模塊每隔一段時(shí)間向主機(jī)發(fā)送當(dāng)前測量值，工作模式2表示采集模塊在接收到主機(jī)發(fā)送的讀取數(shù)據(jù)指令以后，將采集結(jié)果返回給主機(jī)。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的測量精度，將PT100鉑熱電阻放入恒溫箱中進(jìn)行測量，每個(gè)溫度點(diǎn)測量3 min取均值，將結(jié)果與恒溫箱設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比。得到表2的測量結(jié)果，數(shù)據(jù)只列出了每隔10℃的測量結(jié)果。表中T1為恒溫箱的設(shè)定溫度，T2為本系統(tǒng)測量溫度。e為本系統(tǒng)的絕對(duì)誤差

表2 本系統(tǒng)測量結(jié)果與誤差Tab.2 Measurements and error of temperature measurement system

從表格中可以看出本系統(tǒng)的測量絕對(duì)誤差控制在0.1℃以內(nèi)，完全適用于對(duì)電傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)中電機(jī)溫度以及驅(qū)動(dòng)器電力器件的溫度測量，滿足測量精度需求。

6 結(jié)語

本文提出的三線制鉑熱電阻橋式測溫方法很好地解決了電傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)中電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器電力器件溫度的精確在線測量，給出了鉑熱電阻測溫原理與方法，通過三線制接法來消除傳感器引線電阻帶來的誤差。采用不平衡電橋測電阻的方法，來避免小功率鉑熱電阻在測量時(shí)發(fā)熱損壞引起的誤差。用精密電阻箱代替PT100鉑熱電阻對(duì)系統(tǒng)做了標(biāo)定，采用最小二乘法來消除測溫系統(tǒng)的非線性，使系統(tǒng)的測量絕對(duì)誤差小于0.1℃。并且設(shè)計(jì)了一款基于STM32位單片機(jī)的測溫模塊，使測量數(shù)據(jù)可以同步傳輸。同時(shí)可以兼容任何一個(gè)使用CAN總線通信的設(shè)備終端，真正實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程在線測量。具有相當(dāng)高的精確度和實(shí)時(shí)性。

[1] Wilfried Lerch，Werner Blersch，Shusaku Yanagawa.Temperature measurement of wafers with varying multilayer structures during rapid thermal annealing[J].IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing，1998，11（4）：598-605.

[2] Yunhong L，Long Z，Yannian W，et al.Second calibration of atmospheric transmission coefficient on accurate temperature measurement of the infrared thermal imager in field[C]//2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation，2010.

[3] 陳名寶.熱電偶溫度測量模塊硬件性能研究[J].自動(dòng)化與儀表，2012，27（6）：16-20.

[4] 王俊杰，張偉.最小二乘法在鉑熱電阻測溫中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，1999（5）：35-36.

[5] 劉國強(qiáng)，唐東紅，李興偉.基于AT89C51單片機(jī)的高精度測溫系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（8）：258-262.

[6] 嚴(yán)天峰.基于查表的熱敏電阻溫度變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2009，24（4）：11-14.

[7] 梅小雨，許昌，魏艷紅.基于對(duì)數(shù)的NTC熱敏電阻測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2011，26（5）：54-57.

[8] 王曉東，羅冉冉，郭清營，等.熱敏電阻在電子式電能表選型中的技術(shù)研究[J].電測與儀表，2012，49（12）：78-81.

[9] 文小玲，易先軍，曾濤.高精度溫度測控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（8）：46-47.

[10] 陳志文，王瑋.基于Pt100鉑熱電阻的溫度變送器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（8）：197-199.