基于STM32的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐宏宇,沈煌飛

(沈陽航空航天大學(xué) 電子信息學(xué)院,遼寧 沈陽　110136)

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基于STM32的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐宏宇,沈煌飛

(沈陽航空航天大學(xué) 電子信息學(xué)院,遼寧 沈陽110136)

摘要針對(duì)航天器艙體溫度場的測試方法問題,設(shè)計(jì)一種基于STM32微控制器為核心的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng),溫度傳感器K型熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行采集,利用ADG509模擬開關(guān)的差分多輸入一輸出通道,可解決多點(diǎn)溫度和主控CPU的系統(tǒng)協(xié)調(diào)測試問題,給出了系統(tǒng)各部分的硬件結(jié)構(gòu)圖與軟件框圖。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器各模塊的實(shí)時(shí)溫度檢測,并對(duì)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,通過恒溫烤箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)完成了溫度測量任務(wù),溫度誤差值±0.5 ℃,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞STM32;AD7710;熱電偶;溫度檢測

溫度是日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中所不可或缺的普遍而重要的參數(shù)之一,傳統(tǒng)的溫度檢測存在反應(yīng)速度慢、檢測精度低、采集數(shù)據(jù)不方便等缺點(diǎn),隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,各種基于單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)先后被提出。多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)具有測量點(diǎn)多、范圍寬、精度高、反應(yīng)快速、布線分散、現(xiàn)場監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)等需要不斷采集溫度信息的場合,可解決多點(diǎn)溫度和主控CPU的系統(tǒng)協(xié)調(diào)測試問題,以提高溫度檢測的精度和自動(dòng)化水平,進(jìn)一步提升產(chǎn)品的市場競爭力,同時(shí)對(duì)溫度采集網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)施工和維護(hù),提高信息化水平具有重要意義[1]。

1系統(tǒng)的工作原理及框圖

根據(jù)對(duì)多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)的功能分析,該系統(tǒng)主要由多點(diǎn)K型熱電偶、信號(hào)調(diào)理補(bǔ)償電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、CPU主控電路、CAN總線電路、LCD屏顯電路組成。工作原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)的核心器件為意法公司出品的STM32F103ZET6微控制器芯片。該芯片專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核[2]。STM32F103系列是STM32系列增強(qiáng)型的其中之一,工作時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高的,其控制器內(nèi)置3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器,具有多達(dá)21個(gè)輸入通道,支持串行調(diào)試(SWD)和 JTAG接口,STM32F103系列產(chǎn)品內(nèi)置可支持I2C、USART、SPI、USB和CAN總線的多種通信接口。

2.1信號(hào)調(diào)理補(bǔ)償電路

該檢測系統(tǒng)的溫度檢測傳感器選用K型熱電偶,其主要是利用塞貝克效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱電勢[3]。該熱電偶具有測溫精度高、范圍寬、線性度較好、熱電勢率比較高、靈敏度好、抗氧化能力強(qiáng),并在氧化和還原氣氛中輸出熱電勢都比較穩(wěn)定等特點(diǎn)。該部分要求前置放大器的低噪聲和各通道獨(dú)立設(shè)計(jì),將降低各通道間的串?dāng)_,提高測試精度。電路圖如圖2所示,輸入端IN為熱電偶正負(fù)接口。

信號(hào)調(diào)理補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)熱電偶輸出信號(hào)的放大和冷端補(bǔ)償,基于對(duì)所放大信號(hào)的要求選擇AD8495芯片。AD8495內(nèi)置一個(gè)固定增益的儀表放大器,能針對(duì)K型熱電偶所產(chǎn)生的5 mV/℃的微弱熱電偶信號(hào)進(jìn)行放大。該放大器具有高共模抑制性能,能夠抑制熱電偶長引線拾取的共模噪聲,其信號(hào)鏈較為簡潔,無需任何軟件編輯,簡化電路結(jié)構(gòu)。同時(shí)AD8495還內(nèi)置一個(gè)用于冷端補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?此溫度傳感器用來測量熱電偶的冷端溫度并用于冷端補(bǔ)償。另外,AD8495還有抑制環(huán)境溫度的特點(diǎn),電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　AD8495接口電路

2.2模擬開關(guān)電路

模擬開關(guān)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,該電路起在此檢測系統(tǒng)中起到多點(diǎn)溫度檢測間切換的作用。ADG509是一款低壓CMOS模擬多路復(fù)用器,內(nèi)置4個(gè)差分通道。其根據(jù)2位二進(jìn)制地址線a0和a1所確定的地址,將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出,DA、DB為選通信號(hào)輸出端。該器件提供EN輸入,用來使能或禁用器件。禁用時(shí),所有通道均關(guān)斷。

圖3　ADG509接口電路

2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要將經(jīng)過選擇后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過計(jì)算用來表征溫度大小。該電路由一個(gè)集成A/D轉(zhuǎn)換器AD7710完成,同時(shí)將利用其內(nèi)部PGA完成儀表放大器的差分放大功能。AD7710是適合低頻測量的高精度A/D轉(zhuǎn)換器,可直接接收來自傳感器或變換器傳送的微弱信號(hào),因此去掉了傳統(tǒng)的信號(hào)放大電路,從而有效降低了電路的復(fù)雜程度并提高工作的可靠性[4]。片內(nèi)含有2個(gè)輸入通道AIN1和AIN2,能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。利用AD7710實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集的原理電路如圖 5 所示,實(shí)際工作時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行配置,采用雙電源供電。AIN2+和AIN2-為熱電偶所采集的差分信號(hào)輸入端口。

圖4　AD7710接口電路

2.4CAN網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)傳輸與通信功能是建立在微控制器與CAN總線協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。STM32F103ZET6片內(nèi)具有CAN控制模塊,可與CAN收發(fā)器連接構(gòu)成一個(gè)CAN接口。在此之前加上一個(gè)雙通道光電隔離器進(jìn)行電路保護(hù)同時(shí)電平轉(zhuǎn)換將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V,如圖5所示。當(dāng)總線的通信速度比較高,或傳輸距離較長時(shí),為保持其高頻特性終端需要加上匹配電阻[5],如圖5中的R3和R4。

圖5　CAN接口電路

3軟件設(shè)計(jì)

熱電偶數(shù)據(jù)采集程序即數(shù)據(jù)輸入、輸出處理。硬件電路已實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償功能,因此軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)流程圖

根據(jù)系統(tǒng)流程圖,主控板應(yīng)用程序在初始化完畢后,分別進(jìn)行CAN總線配置、多通道的選擇,發(fā)送使能和地址位控制模擬開關(guān)。進(jìn)入下一步的ADC采集初始化,根據(jù)采集到的指令,判斷A/D采樣是否完成,在接收到規(guī)定數(shù)量的數(shù)據(jù)后根據(jù)軟件濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,之后根據(jù)信號(hào)處理部分把經(jīng)熱電勢線性放大后的電信號(hào)換算成溫度,就必須進(jìn)行非線性校正。本軟件采用查表法,即將熱電偶分度表按一定的排列寫入內(nèi)存,測得的熱電勢采用軟件搜索的方法查到對(duì)應(yīng)溫度。但由于熱電偶分度表數(shù)據(jù)占用內(nèi)存較多,因此將熱電偶分度表的數(shù)據(jù)經(jīng)變換組織成一個(gè)占內(nèi)存空間較少的表格[6],根據(jù)測得的熱電偶熱電勢能準(zhǔn)確快速地查出對(duì)應(yīng)的溫度值。最終通過CAN總線協(xié)議傳輸至上位機(jī)。

4實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)據(jù)分析

4.1恒溫箱實(shí)驗(yàn)測量

首先將K型熱電偶接入測量系統(tǒng),并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0.01 ℃)進(jìn)行整個(gè)溫度測量系統(tǒng)定標(biāo)測量[7]。測量時(shí)要注意恒溫箱的密封,以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性;恒溫箱溫度穩(wěn)定后,每隔2 min對(duì)同一溫度點(diǎn)進(jìn)行20次測量。測量溫度值數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表1所示。由于設(shè)備條件所限,測量溫度范圍只有10～150 ℃。

表1　恒溫箱測量結(jié)果及誤差　/℃

表1中,系統(tǒng)誤差是恒溫箱設(shè)定溫度與本溫度測量系統(tǒng)測量溫度平均值的差值。由表1中數(shù)據(jù)可見,測量系統(tǒng)的最大隨機(jī)誤差為0.08 ℃,且在可測最大溫度時(shí)最小;測量系統(tǒng)的最大系統(tǒng)誤差為0.34 ℃,說明K型熱電偶傳感器的定標(biāo)誤差較小,精度也較高,能滿足高精度溫度測量系統(tǒng)的測量要求,但溫度低端誤差較大,可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān),有待于進(jìn)一步定標(biāo)。

4.2系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

由于待測環(huán)境如鍋爐、機(jī)房等,需要長時(shí)間監(jiān)測環(huán)境溫度變化,因此進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn),對(duì)K型熱電偶在模擬環(huán)境下測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)時(shí)間72 h,試驗(yàn)溫度由恒溫箱設(shè)定在200 ℃,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　恒溫箱測量數(shù)據(jù)分析表　/℃

表2中分別對(duì)4路熱電偶進(jìn)行監(jiān)測,在各自的采集數(shù)據(jù)中取最大最小溫度值,其跳動(dòng)值最大值為0.22 ℃,所有數(shù)據(jù)均滿足技術(shù)指標(biāo),具有良好的穩(wěn)定性。

5結(jié)束語

利用K型熱電偶,多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)經(jīng)過不間斷的重復(fù)測試,工作性能穩(wěn)定,技術(shù)指標(biāo)良好,各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了期望值[8-9]。在相同環(huán)境采集得到的一組溫度數(shù)據(jù)中,傳感器間的誤差為0.5 ℃,能滿足大多數(shù)的工作要求。進(jìn)一步說明,此溫度采集系統(tǒng)可以按一定的要求進(jìn)行外圍擴(kuò)展,增加一些新功能,以滿足新的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]潘勇,孟慶斌.基于DS18B20的多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2008,31(9):91-93.

[2]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4]郭凌,吳付祥.∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7710原理及應(yīng)用[C].重慶:中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)2004年電工理論與新技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì),2004.

[5]王建英.基于虛擬儀器技術(shù)和CAN總線的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.

[6]李吉林.常用熱電偶、熱電阻分度表[M].2版.北京:中國計(jì)量出版社,2010.

[7]柏逢明.過程檢測及儀表技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[8]黃俊霖,董潔,吳垣春,等.環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(4):53-54,59.

[9]郝雯,沈金鑫,梅成.基于STM32單片機(jī)的存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(17):80-82.

Design of Multi-point Temperature Detection System Based on STM32

XU Hongyu,SHEN Huangfei

(School of Electronic Information,Shenyang University of Aeronautics and Astronautics,Shenyang 110136,China)

AbstractThis paper presents a multi-point temperature and monitoring system based on microcomputer STM32 for the test of spacecraft cabin temperature.The K-type thermocouple temperature sensor is responsible for temperature acquisition.By using ADG509 analog switch differential MIMO,the test method solves the problems of multi-point temperature and master CPU system coordination test.The system hardware structure and software block diagram of each part are given.The system realizes real-time temperature detection of spacecraft module and data transmission of each node.Temperature measurements in a constant temperature oven show that the temperature error is ±0.5 ℃,indicating good system stability.

KeywordsSTM32;AD7710;thermocouple;temperature detection

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.042

收稿日期:2015-09-21

作者簡介:沈煌飛(1992—),男,碩士研究生。研究方向:信息獲取與處理。

中圖分類號(hào)TP216.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-158-04