基于STM8S的溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

趙曉菲，曾連蓀

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135)

基于STM8S的溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

趙曉菲，曾連蓀

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135)

基于STM8S的溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)是以STM8S為控制核心，對(duì)溫度測(cè)量進(jìn)行研究，外圍模塊主要包括溫度測(cè)量模塊、顯示模塊、電源模塊、鍵盤模塊，具有測(cè)量結(jié)果顯示、測(cè)量模式切換和過溫欠溫報(bào)警等功能。它本身的高精度、高靈敏度、寬量程、低功耗、小體積決定了使用方便的屬性，適合于人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測(cè)量，STM8S與溫度測(cè)量傳感器的結(jié)合，可以作為一個(gè)系統(tǒng)，便于使用，有廣泛的應(yīng)用前景。

單片機(jī)；溫度測(cè)量；STM8S溫度傳感器

Abstract: Temperature measuring instrument is designed based on STM8S, to control the core temperature measurement studies. The peripheral modules include temperature measurement module, display module, power module, and keyboard module. It is very convenient to use, with high accuracy, wide range, high sensitivity, small size, and low power consumption, suitable for our daily life and work. Combining agricultural production temperature measurement, STM8S and temperature measurement sensors can be used as a system, easy to use. It has a wide range of applications.

Key words:MCU; temperature measurement; STM8S temperature sensor

0 引言

在工業(yè)設(shè)備的制造過程中以及整機(jī)的性能測(cè)試中常會(huì)進(jìn)行溫度的測(cè)量，有時(shí)還需要對(duì)正在運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行溫度的檢測(cè)和控制，在人們?nèi)粘Ｉ詈涂茖W(xué)研究等方面遇到各類格式的物理量是很正常的，例如化學(xué)量、生物學(xué)量(包括醫(yī)學(xué)方面)，從信號(hào)角度看，這些物理量都是經(jīng)過溫度傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(近代還可轉(zhuǎn)換成光信號(hào))，然后再進(jìn)行信號(hào)的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、控制等過程。國(guó)內(nèi)外溫度檢測(cè)技術(shù)隨著工業(yè)效率的不斷提高以及自動(dòng)化水平迅速發(fā)展和范圍的不斷擴(kuò)大[1]，自身的要求也不斷提高和嚴(yán)苛，一般歸納為以下幾方面：

(1)擴(kuò)展檢測(cè)范圍。監(jiān)控當(dāng)前的行業(yè)范圍的溫度可以達(dá)到200～30 000℃，未來的發(fā)展趨勢(shì)是需要超高溫和超低溫檢測(cè)，在其中對(duì)液化氣體的極低溫度檢測(cè)是極為迫切的。

(2)對(duì)測(cè)溫對(duì)象的范圍進(jìn)行擴(kuò)大。溫度檢測(cè)技術(shù)要針對(duì)這些功能，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)測(cè)溫發(fā)展到實(shí)現(xiàn)線甚至面乃至整個(gè)立體的測(cè)量。它的應(yīng)用范圍從工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展至家用電器、航空航天、環(huán)境保護(hù)、汽車工業(yè)等諸多領(lǐng)域。

(3)發(fā)展新型產(chǎn)品。利用已有的檢測(cè)技術(shù)生產(chǎn)出能夠滿足客戶需求的適用于不同場(chǎng)合、不同工況要求的新型產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品，與此同時(shí)利用新的檢測(cè)技術(shù)繁衍出新生代產(chǎn)品。

(4)適應(yīng)特殊環(huán)境的測(cè)溫。在防爆、防硫、耐磨等特殊場(chǎng)合，溫度測(cè)試器對(duì)這這些場(chǎng)合的應(yīng)用都有著特殊的要求；另外還有諸如對(duì)火焰溫度檢測(cè)、高速旋轉(zhuǎn)物體、移動(dòng)物體的測(cè)溫、鋼水的連續(xù)測(cè)溫等。

(5)數(shù)字化顯示。隨著技術(shù)的發(fā)展，溫度檢測(cè)儀器都向著數(shù)字顯示直觀方向發(fā)展，有著更高精度、更高分辨率等眾多特點(diǎn)，所以其有著廣泛的使用。

(6)自動(dòng)化標(biāo)定。 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)的溫度傳感器的標(biāo)定。

依據(jù)上述這些要求，國(guó)內(nèi)的電子研究都將朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展：

(1)對(duì)這些熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等需求量大的傳統(tǒng)式的傳感器器件保持繼續(xù)生產(chǎn)[2]。

(2)對(duì)那些原理比較新的、材料比較新的、工藝比較新的投資研發(fā)力度要加強(qiáng)。。

(3)新興的產(chǎn)品應(yīng)該能夠依靠微機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)，使其能夠具備有一定的判斷及控制能力，更加智能化、人性化。

溫度檢測(cè)技術(shù)隨著國(guó)內(nèi)外工業(yè)的不斷向前發(fā)展也取得了很大的進(jìn)步，大致分為以下幾種方法：物體熱脹冷縮、熱電效應(yīng)、熱阻效應(yīng)以及熱輻射原理[3]。

目前溫度傳感器系列產(chǎn)品主要囊括以下幾類[4]：DS18B20數(shù)字溫度傳感器、PT100/PT1000鉑電阻溫度傳感器、LM35集成溫度傳感器和AD590/AD592集成溫度傳感器以及NTC熱敏電阻溫度傳感器等。此次設(shè)計(jì)就是在這些傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，選取最適合環(huán)境的測(cè)量方法，從而提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度。

1 總體設(shè)計(jì)及原理

基于STM8S的溫度測(cè)量?jī)x以STM8S為核心控制器件，外圍采用溫度測(cè)量模塊、鍵盤模塊、溫度顯示模塊、LED燈報(bào)警。本設(shè)計(jì)綜合多種溫度檢測(cè)電路，包括數(shù)字溫度傳感器、熱敏電阻和鉑電阻等實(shí)現(xiàn)高溫和低溫的測(cè)量[5]，具有測(cè)量結(jié)果顯示、測(cè)量模式切換和過溫欠溫報(bào)警等功能。其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 溫度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)構(gòu)成

2 基本工作過程

單種的溫度測(cè)量?jī)x不可能適用于任何環(huán)境，本設(shè)計(jì)想要將目前五種溫度測(cè)量?jī)x產(chǎn)品分成五個(gè)模塊，與單片機(jī)連接，通過接口控制模式的選擇，從而選取在環(huán)境中較為精確、較為適宜的測(cè)量方法。通過A/D轉(zhuǎn)換，利用數(shù)碼管顯示，進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，被測(cè)溫度和系統(tǒng)模式均可數(shù)字顯示,當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時(shí)通過聲、光報(bào)警。本設(shè)計(jì)采用32引腳封裝，提供多達(dá)9個(gè)I/O口,分別以PA、PB、……、PI命名，可通過編程方式將引腳電路結(jié)構(gòu)完全相同的每一個(gè)I/O口、同一個(gè)I/O口內(nèi)的任意一個(gè)I/O口進(jìn)行為：浮空輸入方式(復(fù)位后的缺省狀態(tài))、弱上拉輸入方式(特別適合作為矩陣鍵盤的輸入引腳)。上拉電阻在30～60 kΩ之間，典型值為45 kΩ。

3 溫度測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

AD590恒流輸出，電流為1 μA/K。在電路設(shè)計(jì)中使用1 kΩ電阻與其相串連，此電阻兩端的電壓為0.001 V/K。在零攝氏度時(shí)電阻兩端的電壓為0.273 V，進(jìn)行跟隨，再經(jīng)過差分放大電路把電壓放大10倍，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，讀出被測(cè)溫度。因?yàn)锳D590的工作電壓使用的是5 V，而LM324也是如此，同時(shí)還要將輸出電壓控制在3.3 V內(nèi)，所以具體的做法是在對(duì)電阻的電壓進(jìn)行跟隨后與0.273 V相減然后再放大10倍。這樣輸出電壓最大也不會(huì)超過3.3 V,之后溫度每改變1℃電阻電壓就改變0.01 V。之后用STM8S進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該電路是將兩個(gè)輸入信號(hào)的差值作為電路有效輸入信號(hào)，輸出信號(hào)是對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)之差進(jìn)行放大。假設(shè)這樣一種情況，即使存在干擾信號(hào)，也會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生相同的干擾，但因?yàn)槭遣钪?，所以干擾信號(hào)的有效輸入值為0，從而達(dá)到了抗共模干擾的目的，溫度范圍為0～100℃。設(shè)計(jì)電路中采用LM35溫度測(cè)量的典型電路，再對(duì)電壓進(jìn)行跟隨，從而使得輸出電壓控制在3.3 V范圍內(nèi)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而顯示測(cè)量溫度，能達(dá)到的溫度測(cè)量范圍為-55℃～+150℃。DS18B20有兩種封裝形式，即：8腳SOIC封裝形式和3腳PR-35封裝形式，本設(shè)計(jì)中采用后者。寄生電源供電和電源供電是DS18B20的兩種供電方式，對(duì)于電源供電方式而言，接地為1引腳，信號(hào)通信線2引腳，電源3引腳。可以用一個(gè)MOSFET管對(duì)總線進(jìn)行上拉，從而可以使得DS18B20在時(shí)鐘周期內(nèi)能夠有充足的電流，更加確保其功能的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在特殊時(shí)段，即DS18B20在溫度轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)時(shí)，必須有最長(zhǎng)10 μs的強(qiáng)大電壓的上拉開啟時(shí)間，以完成溫度的A/D轉(zhuǎn)換操作。而VDD和GND引腳端都接地時(shí)即是寄生電源供電方式的具體表現(xiàn)。正是由于一線制的單線操作的緣由，對(duì)發(fā)送口的要求即是其一定要為三態(tài)的。由于PT100有著眾多的優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量范圍很大，在-200～+650℃之間，而且誤差極小，穩(wěn)定耐壓等。所以使得PT100廣受電子愛好者的使用。具體的技術(shù)參數(shù)。

(1) 測(cè)溫適合范圍：-200℃～+650℃。

(2)測(cè)溫精度：0.1℃。

(3)穩(wěn)定度：0.1℃本身就是電阻式的傳感器，PT100其工作的基本原理就是測(cè)量其本身的電阻值而得到溫度的測(cè)量，通過充放電過程來測(cè)量被測(cè)電阻，再經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再對(duì)其做A/D轉(zhuǎn)換，最后將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳給CPU做出相應(yīng)的溫度值計(jì)算。設(shè)計(jì)選用的是專門用于非接觸式測(cè)量體溫的PM611，該傳感器是一個(gè)單一的敏感元件，因?yàn)樗褂靡粋€(gè)補(bǔ)償元件接收元件和兩個(gè)平行的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以它可以有效地補(bǔ)償環(huán)境溫度波動(dòng)、振動(dòng)干擾。它的工作溫度是-20℃～+100℃，十分合適在人體溫度方面的測(cè)量。

其原理圖分別如圖2～5所示。

圖3 LM35原理圖

圖4 DS18B20原理圖

外圍模塊主要包括：鍵盤、顯示以及電源模塊。

4 軟件設(shè)計(jì)

STM8S對(duì)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過顯示模塊進(jìn)行顯示。

(1)主程序設(shè)計(jì)

STM8S對(duì)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過顯示模塊進(jìn)行顯示，具體流程如圖6所示。

圖5 PT100原理圖

(2)各測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)

DS18B20因?yàn)椴恍枰狝D轉(zhuǎn)換，即可將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，故流程圖如圖7所示。

LM35和AD590溫度測(cè)量均通過STM8S的AD轉(zhuǎn)換口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過跳線將二者區(qū)別開來，具體流程圖如圖8所示。

Pt100溫度測(cè)量是通過對(duì)電容進(jìn)行充放電，利用充放電時(shí)間與電阻阻值成正比，從而測(cè)出溫度，具體流程圖如圖9所示。

鍵盤對(duì)五種模式進(jìn)行選擇，顯示模塊通過動(dòng)態(tài)掃描顯示被測(cè)溫度。

圖6 主程序流程圖

圖7 DS18B20流程圖

圖8 LM35和AD590流程圖

圖9 PT100流程圖

系統(tǒng)源程序采用Keil μ Vision 4版本軟件仿真器進(jìn)行整體和分步的調(diào)試。首先，畫出整體的程序流程圖，然后根據(jù)流程圖和系統(tǒng)的硬件連接寫出詳細(xì)的C語言程序，在調(diào)試時(shí)先進(jìn)行模塊測(cè)試，減少錯(cuò)誤幾率再進(jìn)行集成測(cè)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，直到調(diào)試成功為止。

5 結(jié)論

基于STM8S的溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)采用LM35、AD590、PT100、DS18B20以及PM611紅外測(cè)溫作為溫度測(cè)量模塊，能夠選擇某種環(huán)境下最適宜的測(cè)量方式，是一種新型溫度測(cè)量系統(tǒng)。

系統(tǒng)以STM8S為控制核心，依靠其功能強(qiáng)大、使用方便等特點(diǎn)，使總體性能更高，其表現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)系統(tǒng)采用五種溫度傳感器作為溫度測(cè)量模塊，功能強(qiáng)大，便于使用，切合實(shí)際。

(2)通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)上下限過溫報(bào)警，有效地進(jìn)行控溫。

(3)系統(tǒng)通過鍵盤來選擇溫度測(cè)量模塊，在特定環(huán)境下測(cè)量更加精準(zhǔn)。

(4)系統(tǒng)最大特點(diǎn)是便于使用，綜合多種測(cè)量方式，可作為系統(tǒng)使用。

[1] 谷艷豐.多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x的研究與開發(fā)[D].沈陽：東北大學(xué),2003.

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STM8S based temperature measuring instrument design

Zhao Xiaofei, Zeng Liansun

(School of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)

TB942

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.010

趙曉菲，曾連蓀.基于STM8S的溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(18)：32-35.

2017-03-17)

趙曉菲(1993-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：港口無線通信與計(jì)算機(jī)測(cè)控。E-mail：1376850141@qq.com。

曾連蓀(1962-)，男，教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：定位導(dǎo)航系統(tǒng)、無線測(cè)控系統(tǒng)。