基于恒流源驅(qū)動的熱電阻測溫電路系統(tǒng)的設(shè)計與研究
2015-04-29 00:00:00王新龍
【摘 要】針對熱電阻測溫系統(tǒng)中，導(dǎo)線電阻所帶來的測量誤差難以克服的問題，通過采用恒流源驅(qū)動熱電阻以及通過加減運算電路來克服導(dǎo)線帶來的測量誤差，從而獲得了具有較高精度的模擬信號。通過STM32對返回的模擬信號進行定時采樣濾除干擾后進行AD轉(zhuǎn)換從而獲得了較高精度的溫度值。
【關(guān)鍵詞】STM32；恒流源；熱電阻
Thermal resistance temperature circuit system design and research based on the constant current source driver
Wang Long-XIN
（College of Automation and Electronic Engineering，Qingdao University of Science and Technology Shandong Qingdao 266042）
【Abstract】RTD temperature measurement system for measuring lead resistance errors brought insurmountable problem by using a constant current source drives the thermal resistance and by adding and subtracting circuit to overcome the measurement error caused by wire， which has won high precision analog signal. After AD conversion of the analog signal by returning timed sampling filter out interference and using STM32 so as to obtain a high accuracy temperature values.
【Key words】STM32；Constant current source；PT100
0.引言
溫度是化工生產(chǎn)過程的四大參數(shù)之一[1]，溫度測量在生產(chǎn)生活各種參數(shù)測量中占有非常重要的地位，測量溫度的傳感器既有傳統(tǒng)的熱電阻，熱電偶等模擬量溫度傳感器，又有諸如DS18B20等可以直接獲取數(shù)字量的溫度傳感器。鉑熱電阻是一種精度高、線性度好、測量范圍寬的溫度傳感器[2]。因此在實際溫度測量中鉑熱電阻獲得了非常廣泛的應(yīng)用。但在實際熱電阻溫度測量電路中，由于設(shè)計不當(dāng)常常會將導(dǎo)線電阻帶來的誤差引入測量電路中。對于PT100型熱電阻，溫度每變化一度，其阻值大約變化0.4歐姆，試想在遠距離布線測量溫度時，若不能很好的消除導(dǎo)線電阻帶來的影響，那勢必會大大降低測量結(jié)果的精度。因此設(shè)計合適的熱電阻溫度采集電路系統(tǒng)來消除導(dǎo)線電阻對溫度測量結(jié)果影響具有非?，F(xiàn)實的重要性。
1.系統(tǒng)組成
基于恒流源驅(qū)動的熱電阻測溫電路系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心控制器，系統(tǒng)的原理框圖，如圖1-1所示，包括核心控制器STM32F103C8T6、恒流源驅(qū)動電路、信號采集電路、信號調(diào)理電路、顯示電路、按鍵電路以及電源電路 7 個組成部分。
圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
系統(tǒng)通過恒流源產(chǎn)生穩(wěn)定的1.5mA電流，電流流過PT100熱電阻會產(chǎn)生微弱的電壓信號，信號調(diào)理電路可以把該微弱的電壓信號進行放大、濾波并送入STM32F103c8t6自帶的AD轉(zhuǎn)換接口進行AD轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)根據(jù)AD轉(zhuǎn)換獲得的電壓值，通過計算電壓和熱電阻阻值的關(guān)系以及熱電阻阻值和溫度的關(guān)系方程求出測量到的溫度值并通過數(shù)碼管實時顯示測量結(jié)果。
2.硬件電路設(shè)計
2.1 STM32F103C8T6基本外圍電路
圖2-1 STM32F103C8T6基本外圍電路圖
STM32F103C8T6 片上系統(tǒng)是本測溫系統(tǒng)的控制核心，其基本外圍接口電路是保證系統(tǒng)正常工作的輔助電路，包括供電晶振電路、濾波電路、復(fù)位電路、啟動方式選擇電路等基本外圍電路。
2.2恒流源電路
恒流源驅(qū)動電路負責(zé)驅(qū)動溫度傳感器 PT100，將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號，實現(xiàn) R-V 轉(zhuǎn)換。恒流源電路由運算放大器 LM358、3V基準(zhǔn)電壓源、反饋電阻組成，考慮到LM358輸出電流的能力有限，所以設(shè)計恒流源輸出電流大小為 1.5mA。恒流源電路如圖2-2所示。其中U1A，U1B均引入了負反饋，前者構(gòu)成同相求和運算電路，后者構(gòu)成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R，因此：
U=U （1）
U=·U+·U=0.5U+0.5U （2）
U=U=2U （3）
將（2）式代入（3）可得：
U=UU （4）
R5上的電壓為：U=U-U=U
所以i=
所以恒流源輸出電流的大小只與U、R5有關(guān)。其中U=3V，R5=2K。
因此i=1.5mA。
圖2-2 恒流源電路原理圖
2.3信號采集調(diào)理電路
圖2-3 信號采集調(diào)理電路原理圖
信號采集及調(diào)理電路如圖2-3所示。RT為溫度傳感器PT100，PT100采用三線制連接方法。實際應(yīng)用時，三根導(dǎo)線采用相同規(guī)格、相同長度的導(dǎo)線，因此三根導(dǎo)線實際電阻近似相等，假設(shè)為r1=r2=r3=r。電路中R6=100K、R7=100K阻值都比較大，因此，恒流源流經(jīng) R6 及 R7的電流可忽略不計。具體來說，對于圖中接法，運放U2A同相輸入端電壓V=V+V，運放U2A反向輸入端電壓V=V+V+V?；趓1=r2=r3的假設(shè)，有V=V。則運放A3的輸出V=2V-V=2（V+V）-（V+V+V）=V。即從理論上消除了引線電阻對測量結(jié)果的影響。由于經(jīng)過一級放大獲得電壓信號仍然很微弱，所以還需要進一步的放大，即U02=U。最后將獲得電壓信號U02送入STM32F103c8t6進行AD轉(zhuǎn)換。
3.軟件處理
系統(tǒng)軟件包括AD轉(zhuǎn)換部分，數(shù)碼管顯示部分。為了提高溫度采集的精度，AD轉(zhuǎn)換部分每秒鐘采樣20次，并用插入法對所取的20個值進行排序，去掉一個最大值和一個最小值，剩下的18個取平均值。最后運用查表法找到該阻值對應(yīng)的溫度值，并在數(shù)碼管實時顯示該溫度值。
4.結(jié)論
綜上所述，基于恒流源驅(qū)動的熱電阻測溫系統(tǒng)巧妙的電路設(shè)計消除了導(dǎo)線電阻對測量結(jié)果的影響，極大的提高了測量精度。軟件采用每秒鐘采樣多次并去掉最大值和最小值對剩下的數(shù)據(jù)取平均值的方法高了系統(tǒng)的抗干擾能力，經(jīng)試驗證明該系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定可靠，有較強的應(yīng)用價值。
【參考文獻】
[1]劉麒，張莉，王影.實用的熱電阻測溫電路設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2011，28（11）：84-86.
[2]譚長森.基于PT100型鉑熱電阻的測溫裝置設(shè)計[J].工礦自動化，2012，38（3）：89-91.
