基于嵌入式動態Web服務器的熱電偶溫控系統設計與仿真

朱志偉

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙410004）

基于嵌入式動態Web服務器的熱電偶溫控系統設計與仿真

朱志偉

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙410004）

針對現有熱電偶測溫方案的缺點，以PIC24FJ128單片機、ENC28J60網絡控制器和儀用放大器LTC2053為硬件平臺，移植Microchip TCP/IP協議棧，設計出基于嵌入式動態Web服務器的熱電偶溫控仿真系統。該系統實現了K型熱電偶在-200℃—+1300℃范圍內以超過II等級（±2.5℃）工業標準的精度進行溫度數據采集和加熱控制狀態、電機運行狀態等動態網頁的交互，可以方便地推廣到利用網絡進行遠程溫度監測和控制的場合。

熱電偶；II等級工業標準；嵌入式Web服務器；動態交互

熱電偶已成為在合理精度內高性價比的測量寬溫度范圍的工業標準方法。在-200oC至+2500oC之間的低溫到高溫，熱電偶適用于大多數實際的溫度測量，如過熱蒸汽、爐膛煙溫和飛機引擎溫度等。但是現有熱電偶測溫系統絕大部分只能實現溫度分段測量，很難在正、負溫度的低溫到高溫全區間合理精度地測量。隨著網絡技術與嵌入式系統技術的飛速發展，嵌入式Web服務器技術以其良好的通用性和交互性為嵌入式設備提供網絡接口。文中在嵌入式Web服務器的基礎上，設計并仿真了熱電偶溫控系統。系統利用K型熱電偶在-200℃—+1300℃內以超過II等級（±2.5℃）工業標準的精度進行溫度數據采集，實現加熱控制狀態、電機運行狀態等動態網頁的交互。

1.嵌入式Web服務器的熱電偶溫控系統硬件設計

系統由PIC24FJ128單片機、以太網控制器ENC28J60及K型熱電偶TCK等組成。PIC24FJ128是一款16位的高性能單片機，具有16通道的10位模數轉換器，2個SPI和I2C模塊等資源，方便系統擴展。ENC28J60是一種只有28個引腳的以太網控制器，既能提供相應的功能，又可以大大簡化相關設計。ENC28J60通過SPI接口與PIC24FJ128相連。系統硬件電路中還有用于熱電偶冷端補償的溫度傳感器TC1047A、直流電機、加熱控制LED、SPI接口的EEPROM存儲器25LC256等，如圖1所示。

由于K型熱電偶在-200℃—+1300℃的范圍內的輸出電動勢為-5.891mV—+52.398mV，每度間分辯率最大值為41μV，最小值僅為15μV，而PIC24FJ128單片機自帶的10模數轉換器不能對負電壓進行轉換（轉換結果為0），且在3.3V的參考電壓下，模數轉換器的最大分辨率為3.3V/1023≈3.2 mV，所以利用儀用放大器LTC2053對熱電偶的輸出進行信號調理。兩個LTC2053分別對K型熱電偶的正、負電壓進行放大，在±2.5℃的II等級工業標準的要求下，理論上正電壓的放大倍數應為3200/（41×2.5）≈31，實際電路設計的放大倍數為（R15/R4+1）=40；理論上負電壓的放大倍數應為3200/（15×2.5）≈85，實際電路設計的放大倍數為（R11/R12+1）=90。電路中的放大倍數不能太大，否則會超出模數轉換器的上限電壓或使干擾信號放大后被誤轉換，產生錯誤的檢測結果。

圖1 基于嵌入式動態Web服務器的熱電偶溫控系統電路

2.熱電偶冷端補償及精度控制算法

在K型熱電偶的輸出電壓和溫度關系曲線中，-50℃至+350℃范圍內線性度較好；低于-50℃和高于+350℃時，相對于絕對線性度存在明顯偏差。對于有些不太嚴格的應用，公式T=(E+Ec)/j能大大降低計算量和復雜度。式中：T為K型熱電偶測量端的溫度；E為實測熱電偶電動勢輸出；Ec為利用其它溫度傳感器所測熱電偶冷端溫度計算得到的補償電動勢；j為熱電偶某段溫度區間的平均分辨率[4]。

為了在更寬的溫度范圍(-200℃至+1300℃)內精密測量，根據熱電偶經典的中間溫度定律，依據NIST ITS-90熱電偶數據庫，采用多項式：T=d0+d1W+d2W2……+dNWN，進行溫度數據擬合處理。式中：T為K型熱電偶測量端的溫度；W為經冷端補償后的熱電偶總電動勢；dN為多項式系數，N為多項式的最高階數。K型熱電偶NIST ITS-90多項式系數如表1所示。在數據擬合之前，需要溫度傳感器TC1047A測出熱電偶的冷端溫度，根據表1，計算出應補償的電動勢，再將此電動勢與熱電偶輸出電動勢組合至上述多項式的W中，從而得到熱電偶測量端的溫度。此過程，共利用了兩次NIST ITS-90多項式，第一次是得到冷端溫度所對應的電動勢，第二次是得到了熱電偶測量端的溫度。這種算法克服傳統數字式熱電偶測溫方案中需要建立數據量龐大的分度表來存儲和執行查表操作。

表1 K型熱電偶NIST ITS-90多項式系數

當然，過去的熱電偶測溫系統中實現此類算法會受到技術和成本的限制，如今的嵌入式處理器速度快、性價比高，解決了這樣的難題。本系統的數模轉換器只有10位，測量誤差為±2.5℃，如果采用內置更高位數A/D轉換器的處理器，則很容易達到表1中理論上的誤差范圍。

3.動態Web頁設計

系統采用瀏覽器/服務器(B/S)通信架構，與客戶機/服務器通信架構相比，B/S架構無需在客戶端上開發專門的應用軟件，只需在瀏覽器上輸入IP地址，就能對設備進行遠程監控和動態交互。嵌入式服務器程序設計中很重要的工作是動態Web頁的設計。本系統使用CGI接口，瀏覽器可以在HTTP內部調用函數并以網頁的形式接收結果，即實現動態網頁，達到客戶端與服務器端數據交互的功能。用于熱電偶冷端溫度檢測的傳感器TC1047A和熱電偶正、負電動勢分別對應PIC24FJ128單片機的AN4、AN6、AN7模擬輸入通道，它們的溫度采集和數據處理程序示意性代碼如下：

每一次的熱電偶測量端和冷端溫度值都被刷新并分別保存在字符串AN0String和AN1String中，以便發往客戶端顯示。

4.系統Proteus仿真

4.1 仿真體驗

如圖2所示，在PC機瀏覽器中輸入LCD或虛擬終端提示的IP地址，就可以看到監控頁面，通過動態網頁可對溫度、電機狀態等信息進行監測。為使仿真簡單明了，冷端溫度由溫度傳感器TC1047A設為0℃。從網頁中可以看到，此時的K型熱電偶的測量端溫度為1201.9℃，圖1中的K型熱電偶仿真溫度為1202℃，誤差僅為0.1℃，系統的測量精度達到甚至超過II等級工業標準。

4.2 注意事項

系統采用Microchip TCP/IP協議棧，并采用Microchip提供的簡單文件系統MPFS來存儲網頁及其它相關文件。MPFS映像存儲在片外的SPI或I2C接口的EEPROM中。為了簡化MPFS文件系統映像的生成操作，協議棧提供了一個便于使用的工具軟件MPFS.exe，在每一次修改網頁相關文件內容后，必須執行批處理命令文件CreateImage.bat來生成新的MPFS文件系統的完整映像。需要注意的是，生成的映像文件大小不要超過EEPROM的容量。為了刷新EEPROM對新生成的映像文件的綁定，還需要單擊Proteus軟件中的debug/Reset Persistent Model Data菜單。

圖2 熱電偶溫控系統動態交互網頁效果圖

5.結語

基于嵌入式動態Web服務器的熱電偶溫控系統調試簡單、精度高、測溫范圍寬、成本低，實時交互性強，與大多數熱電偶測溫系統相比，優點明顯。系統還可根據實際需要，更改嵌入式處理器，來選擇相應位數的A/D轉換器，從而使性價比最高。通過Proteus仿真能使我們將主要精力放在系統方案論證與實現上，擺脫對純硬件的依賴，便于分工協作，從而提高產品的開發效率。本文的方案很容易推廣到其它類型的熱電偶溫控系統中。

[1]Microchip TCP/IP Stack [EB/OL].http://www.microchip.com, 2011-07-18.

[2]彭偉.單片機 C語言程序設計實訓 100例——基于PIC+Proteus仿真[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]朱志偉.Proteus的嵌入式動態Web服務器設計與仿真 [J].單片機與嵌入式系統應用，2013,(6)：29-31.

[4]張海濤，羅珊，郭濤.熱電偶冷端補償改進研究[J].儀表技術與傳感器，2011,(7)：11-14.

[5]Maxim戰略應用工程師.利用先進的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實現高精度溫度測量[J].世界電子元器件，2012,(2)：44-48.

[6]陳明寶.熱電偶溫度測量模塊硬件性能研究[J].自動化與儀表，2012,(6)：16-19.

TP 391

B

1671-5136(2014)01-0123-03

2014-03-19

2012年湖南省教育廳科學研究項目（項目編號：12B011）。

朱志偉（1976-），男，湖南衡山人，長沙民政職業技術學院電子信息工程學院副教授。研究方向：嵌入式系統技術與電子技術。