多路自標校溫度控制系統(tǒng)設計

邱月嬌，韓太林，孫小偉，王加科

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春市軌道交通集團有限公司，長春 130024；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

常溫溫度檢測的計量標準器件為鉑電阻，通過鉑電阻測溫得到的是模擬信號，需要通過數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換才能得到溫度值。鉑電阻溫度檢測受采集電路影響，通常不易實現(xiàn)多路溫度檢測系統(tǒng)的一致性，溫度標校工作又比較復雜，逐一進行標定工作量非常大。高精度的半導體數(shù)字溫度檢測器件可以達到溫度檢測的一致性，但數(shù)字溫度傳感器的響應靈敏度低、頻率響應也比較低，本設計同時采用兩種傳感器，利用數(shù)字傳感的準確度特性對模擬傳感器采樣值進行自標定，利用模擬傳感器的高靈敏度實現(xiàn)高精度溫度控制，同時實現(xiàn)多路溫度控制系統(tǒng)相對精度的穩(wěn)定性與一致性。

1 多路溫度控制自標校系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本設計采用STM32F103ZET6轉(zhuǎn)換端口對Pt100鉑電阻測溫電路輸出模擬溫度進行采樣，獲得0～4095范圍上的溫度采樣值，由ADT7420模塊組成數(shù)字溫度傳感器通過I2C總線與STM32F103ZET6單片機連接，獲得絕對溫度值并由自標?？刂扑惴ǔ绦蛴嬎爿敵鯬WM模塊脈沖信號，完成控制系統(tǒng)的總體硬件工作，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 多路溫度控制自標校系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖

1.1 STM32F103ZET6主控單片機

STM32F103ZET6屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，基本參數(shù)如下：

（1）最高72MHz工作頻率。

（2）512K字節(jié)的閃存程序存儲器，2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間。

（3）串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口，多達8個定時器，3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入，1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，2個看門狗定時器，多達9個通信接口，2個I2C接口（支持SMBus/PMBus）。

STM32F103ZET6開發(fā)硬件實物圖如圖2所示。

圖2 單片機整體設計PPD板子

1.2 PT100傳感器溫度采樣電路

采用XTR105芯片作為Pt100的測量變換芯片將溫度內(nèi)Pt100變化值轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流輸出采用RCV420作放大轉(zhuǎn)換芯片將4mA～20mA電流轉(zhuǎn)換為0～3V電壓輸出。XTR105的電路設計圖如圖3所示。

圖3 Pt100電路設計

為了提高本溫度測量系統(tǒng)的測量精度，電流環(huán)接收器采用RCV420芯片設計。RCV420是美國RURR－BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片，用于將4mA-20mA輸入信號轉(zhuǎn)換成為0V-5V輸出信號，具有很高的性能價格比。它包含一個高級運算放大器、一個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡和一個精密10V電壓基準。其總轉(zhuǎn)換精度為0.1%，共模抑制比CMR達86dB，共模輸入范圍達±40V。

圖4 4～20mA電流環(huán)接收器電路圖

4mA～20mA電流環(huán)接收器電路原理圖如圖4所示，正負電源腳各接一個1μF的退耦電容，并盡可能地靠近放大器。

1.3 ADT7420溫度芯片的I2C電路設計

ADT7420是ADI（亞德諾半導體技術(shù)有限公司）生產(chǎn)的一款封裝高精度數(shù)字溫度傳感器，其工作特性如下：

（1）測量原理：它內(nèi)置一個帶隙溫度基準源、一個溫度傳感器和一個16位ADC，用來監(jiān)控溫度并進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。

（2）分辨率：默認ADC分辨率設置為13位（0.0625℃）。ADC分辨率為用戶可編程模式，可通過串行接口更改。

（3）工作電壓：ADT7420的保證工作電壓范圍為2.7V至5.5V；工作電壓為3.3V時，平均電源電流的典型值為210μA。ADT7420具有關(guān)斷模式，可關(guān)斷器件，3.3V時的關(guān)斷電流典型值為2.0μA。

（4）數(shù)據(jù)傳輸形式：I2C模式，可為ADT7420提供四個I2C地址。CT引腳屬于開漏輸出，當溫度超過臨界溫度限值（可編程）時，該引腳變?yōu)橛行?。INT引腳也屬于開漏輸出，當溫度超過限值（可編程）時，該引腳變?yōu)橛行?。INT引腳和CT引腳可在比較器模式和中斷事件模式下工作。

（5）工作性能：溫度精度±0.20°C（-10℃至+85℃，3.0V至3.3V）±0.25℃（-20℃至+105℃，3.0V至3.6V）16位溫度分辨率：0.0078℃。

圖5 典型I2C接口連接

ADT7420的控制經(jīng)由I2C兼容串行接口實現(xiàn)。ADT7420作為從器件連接至此總線，受主器件控制。與大多數(shù)I2C兼容器件一樣，ADT7420也具有7位串行地址。此地址的5個MSB從內(nèi)部硬連線至10010。引腳A1和引腳A0設置2個LSB。這些引腳可以配置成低和高兩種電平，以提供4種不同的地址選項。

2 自標校軟件及算法設計

2.1 自標校軟件設計

采用數(shù)字PID控制原理I2C控制PWM輸出開發(fā)軟件為Keil。Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM內(nèi)核單片機開發(fā)的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些功能組合在一起。uVision當前最高版本是uVision3，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。

軟件控制流程如圖6所示。

圖6 軟件控制流程圖

主程序設計：

2.2 自標校動態(tài)檢測算法設計

控制系統(tǒng)是以Pt100傳感器作為基準控制器以ADT7420I2C數(shù)據(jù)作為校準量，采樣時鐘為Pt10012位ADC采樣周期為100ms。ADT7420采樣周期為1.6s自標校算法如下：

圖7 自標校流程圖

自標校算法如下：

3 實驗結(jié)果

多路自標校溫度控制系統(tǒng)設計完成后應用于大靶面紅外靶標耙元溫度控制中，通過上位機采集到主控溫度數(shù)據(jù)，應用自標校算法程序計算出溫度采集值，綜合表1結(jié)果認為本設計可以通過自標校算法實現(xiàn)電路溫度控制函數(shù)的絕對控制。

圖8 數(shù)據(jù)采集

對四路數(shù)據(jù)進行采樣并記錄，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 控制結(jié)果分析

通過自標?？刂魄昂蟀邪寮t外成像儀拍攝的圖像對比如圖9所示。

圖9 溫控前后對比圖

4 結(jié)論

本溫度測量系統(tǒng)設計，以Pt100，ADT7420為模擬與數(shù)字傳感器，以STM32F103ZET6單片機為主控制CPU，設計了針對Pt100溫度采樣電路，并實現(xiàn)了ADT7420的I2C讀取電路，利用STM32F103ZET6芯片實現(xiàn)了基于數(shù)字PID下的脈寬調(diào)制自標校溫度控制，并通過串口通信電路完成了溫度控制系統(tǒng)實驗，從實驗數(shù)據(jù)分析得到了預期的效果。

[1]楊永軍.溫度測量技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J］.計測技術(shù)，2009（4）：62-65.

[2]周榮富，王利華，陶文英.智能儀表原理與設計簡述[J］.今日科苑，2008（8）：55-56.

[3]Stephen F，CHAN PW.Improving the wind and temperature measurements of an airborne meteorologicalmeasuring system[J］.JournalofZhejiang University-Science A（Applied Physics&Engineering），2012（10）：723-746.

[4]蘭羽，白潔.基于Pt100傳感器的溫度測量系統(tǒng)設計[J］.機械與電子，2013（10）：44-46.

[5]呂中平.基于ADT7420的新型數(shù)字溫度記錄儀田.計量與剛試技術(shù)，2012，07（2）：6-8.