基于ARM處理器的溫度測量裝置

程銘

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.049

摘 要：提出一種以STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3內(nèi)核）為處理器的測溫系統(tǒng)。利用熱電阻傳感器測得溫度值，并經(jīng)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行小信號放大，最后在微處理器作用下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。經(jīng)初步在非極端環(huán)境下的測試，該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、高精度等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度測量 傳感器 嵌入式軟件 小信號放大

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（a）-0049-03

Temperature Measurement Device Based on ARM Processor

Cheng Ming

（College of Metrology and Measurement Engineering， China Jiliang University， Hangzhou Zhejiang， 310018， China）

Abstract： A temperature measurement system based on STM32F103C8T6 （ARM Cortex-M3 core） was proposed. Using the thermal resistance sensor to measure the temperature value， and by the conversion circuit for small signal amplification， and finally under the action of the microprocessor data acquisition and processing. The system has the characteristics of low cost， low power consumption and high precision， which is tested in the non-extreme environment.

Key Words： Temperature measurement； Sensor； Embedded software； Amplification for small signal

溫度的測量在人類生產(chǎn)與發(fā)展中非常重要。對于工業(yè)來說，在生產(chǎn)過程中如果不能對溫度有精準(zhǔn)的監(jiān)測，將可能使生產(chǎn)活動失效，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。該文提出一種基于ARM架構(gòu)MCU來處理溫度傳感器測得數(shù)據(jù)并顯示的裝置。

1 基于熱電阻的溫度傳感器

利用具有特殊性質(zhì)的金屬導(dǎo)體（其電阻值的大小和溫度有關(guān)）對將溫度的變化轉(zhuǎn)換為該導(dǎo)體電阻的變化。

若利用該原理進(jìn)行溫度測量，熱電阻導(dǎo)體需符合以下特點(diǎn)。

（1）電阻率不低于一定數(shù)值且溫漂小，以獲得較高的靈敏度和精度。

（2）輸出特性好，即導(dǎo)體阻值隨環(huán)境溫度的變化盡量符合線性關(guān)系。

（3）在有效工作范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定、良好的物理化學(xué)性能。

（4）良好的加工工藝性，以便于批量生產(chǎn)，降低成本。

該文選取PT1000鉑熱電阻，其性質(zhì)為：以鉑為材料，在0 ℃的情況下阻值為1 000 Ω。按IEC標(biāo)準(zhǔn)[1]，鉑電阻的線性工作區(qū)為-200℃～850 ℃之間，其電阻阻值隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律可近似描述為下式子：

在-200 ℃～0 ℃范圍內(nèi)

Rt=R0[1+AT+BT2+C（T-100）T3] （1）

在0 ℃～850 ℃范圍內(nèi)

（2）

式中R0、Rt分別為0 ℃和t（℃）時的電阻值。

對于常用的工業(yè)鉑電阻，A=3.908 02×10-3 ℃-1，B=-5.802×10-7 ℃-2，C=-4.273 50×10-12 ℃-4。

2 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

2.1 熱電阻的安裝及電源方案

該文采用四線制接法，即分別將兩根導(dǎo)線連接至熱電阻導(dǎo)體的兩端。一端與恒流源A1并聯(lián)，另一端接入次級的放大電路。該方法在原理上消除了非線性，并忽略了電阻本身標(biāo)稱值誤差的影響，使測量精度有了大幅度提升。

由圖1的引線方法，即：

UO=Rt×Ia （3）

式中，UO為電阻率；Rt為熱電阻的阻值（溫度為t時）；Ia為恒流源的電流值。

2.2 基于AD620的儀表放大電路

PT1000熱電阻的阻值偏大，若電流源過大熱電阻將因大功率而產(chǎn)生發(fā)熱，進(jìn)而對溫度的測量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，應(yīng)使恒流源輸出為微小電流，因此，需要專用的放大電路對其輸出的小信號放大，提高其靈敏度。

AD620[2]芯片是一款廣泛用于當(dāng)今工業(yè)環(huán)境的通用儀表放大器，見表2，其具有高共模抑制比、輸入失調(diào)電壓及噪聲低、高轉(zhuǎn)換速率等特點(diǎn)。芯片基于三運(yùn)放差分比例放大電路，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)置放大器的增益由一個電阻即可完成，電路原件緊密匹配和統(tǒng)調(diào)，從而賦予了該芯片優(yōu)異的電氣性能，這些都要?dú)w功于其單片結(jié)構(gòu)形式和激光晶片修整技術(shù)[3]。

輸入端的兩個三極管Q1和Q2提供一個差分對雙極性輸入，輸入器件Q1和Q2各自的集電極電流通過Q1-A1-R1和Q2-A2-R2兩環(huán)路反饋來獲得穩(wěn)定值，外部電阻RG來分擔(dān)輸入電壓，此時差分放大倍數(shù)為：

+1 （4）

式中，R1+R2=49.4 kΩ。

3 基于ARM處理器的數(shù)據(jù)處理

3.1 ARM處理器的選型

對于該文所設(shè)計(jì)的溫度測量裝置，其要求較高的精度和低功耗、低成本等要求，因此，選用ST公司的STM32F103RC。該芯片采用ARM Cortex-M3架構(gòu)，經(jīng)分頻后最高工作頻率可達(dá)72 MHz，其同時兼有USB、ADC、CAN等并且?guī)в?12 kB的RAM。endprint

3.2 數(shù)據(jù)采集與程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為考慮節(jié)省成本、開發(fā)方便、盡量減少外圍電路以降低功耗等因素，可直接利用STM32F103內(nèi)部集成的12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示，見表3。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

將A/D采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的均值濾波，即每次輸出都為前10次采樣的平均值，即可剔除大部分?jǐn)_動。最后還需將數(shù)值轉(zhuǎn)換為溫度，可知環(huán)境溫度與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣值之間的關(guān)系近似一個一次方程，即：

T=kXAD+b （5）

式中 T為當(dāng)前溫度；XAD為A/D的采樣值；k、b為經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得的常數(shù)。

由上式計(jì)算得到較為精確的當(dāng)前溫度值后，將其送入LCD屏幕的驅(qū)動模塊中，即可將數(shù)據(jù)顯示在與MCU進(jìn)行串行通訊的顯示屏上。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該文實(shí)驗(yàn)在FB716-I型物理設(shè)計(jì)性（熱學(xué)）實(shí)驗(yàn)裝置[5]下實(shí)現(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)定溫度t=10 ℃～50 ℃，按溫度等間隔變化進(jìn)行測量。該文僅抽取t=30 ℃時，5次連續(xù)測量的數(shù)據(jù)如表1所示。

在等精度測量列中各個測量值在測量列的算數(shù)平均值附近有一定分散，這一般是因隨機(jī)誤差而導(dǎo)致的，必須用一個數(shù)值來描述這個分散程度，用以評定其不可靠性。

由貝塞爾（Basel）[6]公式（6），可求得實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)定溫度t=30℃時測量的標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)。

（6）

式中，vi為單次測量的殘差；n為測量次數(shù)。

計(jì)算得出，對于該實(shí)驗(yàn)S=0.054 1，符合所需精度要求。

5 結(jié)語

該文在熱電阻傳感器的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ARM內(nèi)核微處理器和均值濾波算法的實(shí)時溫度測量系統(tǒng)，并進(jìn)行了初步的誤差分析，對環(huán)境中其他干擾造成的示值不穩(wěn)定具有一定的魯棒性，是一種有效的溫度測量裝置。

參考文獻(xiàn)

[1] 王本軼.熱敏元件及其正確使用[J].浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（1）：55-59.

[2] 紀(jì)宗南.儀表放大器及其應(yīng)用（六）低功耗儀表放大器的應(yīng)用[J].國外電子元器件，1998（10）：32-35.

[3] 孔祥陽，徐保根.均值濾波及其改進(jìn)算法去燥效果研究[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（6）：21-25.

[4] 羅宏雷，金驥，朱象云.新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2013.

[5] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].7版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.endprint