基于Pt1000的濾光器測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙金標(biāo), 朱慶生, 周小軍, 萬敏輝

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 2.中國(guó)科學(xué)院 南京天文儀器研制中心，江蘇 南京 210042；3.中國(guó)科學(xué)院 南京天文儀器有限公司，江蘇 南京 210042)

設(shè)計(jì)與制造

基于Pt1000的濾光器測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙金標(biāo)1,2, 朱慶生2,3, 周小軍2,3, 萬敏輝1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 2.中國(guó)科學(xué)院 南京天文儀器研制中心，江蘇 南京 210042；3.中國(guó)科學(xué)院 南京天文儀器有限公司，江蘇 南京 210042)

針對(duì)天文氣象中雙折射濾光器溫度檢測(cè)所遇到的問題，以互聯(lián)型 STM32處理器、三線制鉑熱電阻Pt1000為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了濾光器橋式測(cè)溫系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu),并采用最小二乘法對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行了擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濾光器中心區(qū)域的溫度，在42 ℃時(shí)測(cè)量誤差為±0.005 ℃，保證了太陽活動(dòng)區(qū)視向速度的測(cè)量精度。

STM32； Pt1000； 濾光器； 測(cè)溫系統(tǒng)； 最小二乘法

0 引 言

雙折射濾光器廣泛應(yīng)用于對(duì)太陽活動(dòng)區(qū)的觀測(cè)。通常該濾光器的工作溫度在42 ℃附近，要求檢測(cè)的精度不低于0.005 ℃，其內(nèi)部透光晶體的折射率對(duì)溫度極其敏感，任何溫度漂移，都將引起透過帶位移，直接對(duì)太陽活動(dòng)區(qū)視向速度的測(cè)量精度造成影響。因此，對(duì)雙折射濾光器的溫度進(jìn)行高精度檢測(cè)是很有必要的。原有的用于濾光器的51單片機(jī)在速度和性能上已不滿足實(shí)際需要；選用的Pt100鉑熱電阻器每變化1 ℃電阻僅變化0.39Ω，在精度上比Pt1000少了一個(gè)數(shù)量級(jí)；采用的串行通信接口RS—232在可靠性上受到一定的限制。針對(duì)上述問題，本文以互聯(lián)型STM32處理器為核心，采用靈敏度高的Pt1000鉑熱電阻橋式測(cè)溫法[1]采集溫度變化數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)高增益儀表放大器電路對(duì)信號(hào)放大，最終實(shí)現(xiàn)了具有RS—485接口的測(cè)溫系統(tǒng)，用恒溫箱和精密電阻箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可在線精確測(cè)量0～45 ℃范圍的溫度，且非線性誤差不高于0.005 ℃。

1 系統(tǒng)工作原理

濾光器測(cè)溫系統(tǒng)以STM32處理器為主控核心，主要部件包括Pt1000鉑熱電阻、金屬膜電阻、運(yùn)放OP27、OP37、LM324及RS—485通信串口和PC等。首先需要對(duì)此測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得出溫度與輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)濾光器的溫度變化引起Pt1000的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，惠斯通電橋輸出相應(yīng)的毫伏(mV)級(jí)壓差信號(hào)，將該mV級(jí)壓差信號(hào)通過儀表放大器放大后送入到STM32處理器的AD模塊，通過軟件定時(shí)讀取AD電壓值，每采集100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行中位值平均濾波處理，將處理后的值代入已標(biāo)定好的溫度和電壓函數(shù)表達(dá)式，得出相應(yīng)的溫度值，最后將溫度數(shù)據(jù)通過RS—485總線傳輸給上位機(jī)，通過上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示濾光器的溫度[2]。

2 濾光器測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓源電路

圖1為同相放大電路，根據(jù)工作在線性區(qū)的理想運(yùn)算放大器[3]，由虛短、虛斷定義

vp≈vn,ip=in=0

(1)

系統(tǒng)的輸入電壓為vi=5 V，由圖1可知，電壓增益為

(2)

圖1 電壓源電路

OP27的輸入電壓為5 V，經(jīng)過放大后輸出約10 V的電壓，為避免計(jì)算得出的Pt1000分壓產(chǎn)生較大誤差，盡可能減小電源誤差對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的影響，可通過調(diào)節(jié)圖1中的滑動(dòng)變阻器R33的阻值，保證輸出的電壓Vo精確為10 V。

圖1中的電阻器均選用金屬膜電阻器，保證電路正常運(yùn)行中阻抗值不受表面溫度變化影響。

2.2 惠斯通橋式電路

本系統(tǒng)采用惠斯通橋式測(cè)溫電路[4]如圖2所示，R37為Pt1000，當(dāng)滿足條件R35·R34=R37·R36，輸出端的兩壓差v1=v+-v-=0，此時(shí)稱為電橋的平衡狀態(tài)[5]。根據(jù)電橋輸出電壓v+，v-的差值可以推算出R37的值。常見的濾光器Pt1000到控制器的距離都長(zhǎng)達(dá)20 m左右，引線電阻所造成的系統(tǒng)誤差不可忽略，而此測(cè)溫電路中采用三線制Pt1000的接法，可消除引線電阻對(duì)測(cè)溫的不良影響[6]。

2.2.1 橋臂上阻值大小的選擇

根據(jù)Pt1000分度表，溫度每變化0.1 ℃,Pt1000阻值度變化0.390 8 Ω，所用到的雙折射濾光器恒溫層的測(cè)量精度不高于0.005 ℃，這就要求電橋中的電阻器敏感量在0.019 54 Ω以下變化。

本系統(tǒng)要求的測(cè)溫范圍為0～45 ℃，根據(jù)計(jì)算得知，測(cè)溫時(shí)Pt1000的阻值應(yīng)在1 000.000～1 174.704 Ω之間變化，在惠斯通電橋測(cè)溫電路中，為了提高測(cè)溫的靈敏度，將橋臂上的阻值比例設(shè)置為1︰100，即R35=R36=100 kΩ,R34=1 kΩ。圖2中的J1是Pt1000的三條引出線接口。

圖2 惠斯通橋電路

2.2.2 電壓輸出范圍

電阻器精度不高將造成整個(gè)電橋的平衡點(diǎn)產(chǎn)生偏移，實(shí)際應(yīng)用中需要用數(shù)字萬用表對(duì)每個(gè)金屬膜電阻器進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)際的電阻值帶入計(jì)算表達(dá)式，得到準(zhǔn)確的平衡點(diǎn)。Pt1000在0 ℃時(shí)阻值為1 kΩ，取圖中R34阻值為1 kΩ,這樣可以保證平衡狀態(tài)下的溫度為0 ℃，其兩端輸出的電壓理論上為0 V，為后面電壓和溫度函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)提供了方便[7]。Pt1000在45 ℃時(shí)阻值為1.174 704 kΩ，電路輸出壓差為

v1=v+-v-=v0·[R37/(R37+R35)-R34/(R36+R34)]

(3)

通過式(3)得v1=0.017 096V,即溫度在0～45 ℃變化時(shí)，惠斯通電橋電路兩端電壓輸出v1的范圍在0～17.096mV之間。

2.3 儀表運(yùn)放放大電路

2.3.1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

(4)

取R41=R40,到輸出電壓

(5)

由于輸出的mV級(jí)信號(hào)vout很難被STM32處理器的AD模塊檢測(cè)到，所以需要將其放大。根據(jù)STM32處理器的AD輸入最高電壓不能超過3.3V，以及上述v1輸出的范圍，確定三運(yùn)放放大倍數(shù)為190，理論上電橋輸出的電壓范圍為0～3.248 2V。

由放大倍數(shù)來確定R48和R47的選值，R47作為微調(diào)電阻器，用來校正運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，一般選用R48的阻值至少是R47的10倍左右，即R48︰R47=10︰1，根據(jù)式(5)，選用R48阻值為300Ω，R47阻值為30Ω。

圖3 儀表放大器電路

2.3.2 電壓—阻值—溫度關(guān)系推導(dǎo)

Pt1000的阻值和溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，能精確地測(cè)出其電阻值就可以獲得準(zhǔn)確的溫度值。該溫度傳感器具有防水、耐腐蝕、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)[9]。根據(jù)相關(guān)惠斯通橋電路及儀表放大器可知，橋電路的輸出電壓v1與儀表放大器輸出的vout關(guān)系：vout=v1×Au。因STM32處理器的AD模塊是12位，所以模擬量，數(shù)字量的關(guān)系為vout/AD=3.3/4 096,由上述兩個(gè)式子，可得：v1=3.3AD/(4 096Au)，再將其帶入式(3)得

(6)

已知Pt1000阻值后可以根據(jù)溫度與阻值的函數(shù)關(guān)系得出相應(yīng)的溫度值。

2.4RS—485通信模塊

RS—485接口電路如圖4所示,圖中A，B(6腳，7腳)為總線接口，用于連接RS—485總線，PB10和PB11為STM32處理器USRAT3的引腳，PB12引腳控制發(fā)送/接收的方向，當(dāng)置PB12為高電平時(shí)，通過PB10引腳將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；當(dāng)置PB12為低電平時(shí)，通過PB11引腳將數(shù)據(jù)傳輸給處理器。RS—485通信方式，相比通信串口RS—232，在傳輸速率，傳輸距離，以及抗干擾性能上有了明顯地改善[10]。

圖4 RS—485接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)溫系統(tǒng)標(biāo)定及數(shù)據(jù)擬合

阻值的測(cè)量誤差及不平衡橋電路的非線性都會(huì)引起系統(tǒng)誤差，因此，首先需要對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)置精度高的恒溫箱溫度，找出Pt1000在各個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的阻值；由精密電阻箱代替Pt1000，將精密電阻箱引線插入圖2中J1的引腳1和引腳2，3接地，改變精密電阻箱的取值，得到在各個(gè)阻值下對(duì)應(yīng)的電壓輸出Vout。系統(tǒng)只需要保證濾光器工作在42 ℃附近時(shí)測(cè)溫的精度，溫度在0～ 40 ℃范圍內(nèi)，每隔5 ℃測(cè)量一次；在41.5～42.5 ℃范圍內(nèi)，每隔0.1 ℃測(cè)量一次，具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)

由于系統(tǒng)主要用于42 ℃附近的濾光器高精度測(cè)量，選擇測(cè)溫范圍0～45 ℃滿足要求。為了盡可能減小非線性帶來的誤差，設(shè)置恒溫箱得到的溫度數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，采集到的相應(yīng)電壓信號(hào)為橫坐標(biāo)，用最小二乘法對(duì)表1中的溫度和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合[11]。Matlab 程序如下：

Vout_Amp = data_Pt1000(:,1)';

T_PT1000 = data_Pt1000(:,2)';

Pt1000 =polyfit(Vout_Amp,T_Pt1000,2)；

n_T_Pt1000 = polyval(Pt1000,Vout_Amp);

r1= sum((T_Pt1000-n_T_Pt1000).^2)

figure(2)

plot(Vout_Amp,T_Pt1000,'*')

holdon

plot(Vout_Amp,n_T_Pt1000,'r')

xlabel('電壓/V')

ylabel('恒溫箱溫度/C')

title('電壓和溫度擬合曲線')。

溫度和電壓擬合曲線如圖5所示。

圖5 溫度與電壓擬合曲線

濾光器測(cè)溫系統(tǒng)的標(biāo)定公式為

T=13.864 7U-0.064 2

(7)

將標(biāo)定好的函數(shù)用于濾光器測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)試，通過STM32處理器的AD模塊采集電壓U，代入上式中即可得到實(shí)際的溫度值。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的精度，將Pt1000鉑電阻放入恒溫箱中進(jìn)行測(cè)量，將每個(gè)溫度點(diǎn)每10 ms采樣一次，采樣100個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，將結(jié)果與恒溫箱設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如表2。在0～45 ℃范圍內(nèi)，測(cè)量了每隔5 ℃及在42 ℃附近每隔0.1 ℃的測(cè)量結(jié)果，表中T1為恒溫箱的設(shè)定溫度，T2為濾光器測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)測(cè)溫度，偏差為T1和T2的差值絕對(duì)值，即P=|T1-T2|。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) ℃

由表2看出：系統(tǒng)在42 ℃附近的測(cè)量絕對(duì)誤差控制在0.005 ℃范圍內(nèi)，完全適用于測(cè)試濾光器的溫度，滿足實(shí)際測(cè)量精度需要。

3.3 上位機(jī)顯示界面

上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面采用Visual Studio開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，通過Visual C++中的MFC Application編輯窗口實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序反端口的連接。界面設(shè)計(jì)主要包括實(shí)時(shí)溫度顯示、溫度采集、溫度狀態(tài)顯示、串口參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。系統(tǒng)采集溫度的同時(shí)將實(shí)時(shí)溫度以文檔形式存儲(chǔ)，以便后續(xù)分析和檢查歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)Pt1000放入42 ℃恒溫箱時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)溫度顯示界面

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于Pt1000濾光器測(cè)溫系統(tǒng)，在性能上有了很好的改善，從軟硬件兩方面保證了測(cè)溫系統(tǒng)的精度。軟件上，通過用精度高的恒溫箱和精密電阻箱對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)標(biāo)定的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，程序加上必要的數(shù)字濾波；硬件上，使用三線制橋式測(cè)溫電路，可靠穩(wěn)定的儀用放大器電路，精度高的金屬膜電阻器以及對(duì)參考電壓校正來盡可能減少硬件電路帶來的系統(tǒng)誤差。經(jīng)過實(shí)測(cè)：該測(cè)溫系統(tǒng)的絕對(duì)誤差不高于0.005 ℃，滿足了測(cè)溫精度要求。

[1] 王曉東，羅冉冉，郭清營(yíng).熱敏電阻在電子式電能表選型中的技術(shù)研究[J].電測(cè)與儀表，2012,49(12):78-82.

[2] 梅小雨，許 昌，魏艷紅.基于對(duì)數(shù)的NTC熱敏電阻測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2011,26(5):54-60.

[3] 康華光，陳大欽，張 林.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2011(8):36-37.

[4] 吳奇生，華連生，陳 斌.4線制測(cè)溫在氣象地溫?cái)?shù)據(jù)觀測(cè)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù),2010,33(8):86-89.

[5] 邱關(guān)源，羅先覺.電路[M].北京：高等教育出版社,2011:36-37.

[6] 徐莉振，鮑 敏.面向Pt100鉑電阻的高精度多路測(cè)溫系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2013,3(1):65-69.

[7] 朱育紅.工業(yè)鉑電阻精確測(cè)溫方法[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007,33(4):50-52.

[8] 張修太，胡雪惠.基于Pt100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2010,23(6):810-820.

[9] 嚴(yán)天峰.基于查表的熱敏電阻溫度變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2009,24(4)：11-14.

[10] 于忠得.單片機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2013:229-230.

[11] 鄒樂強(qiáng).最小二乘法原理及其簡(jiǎn)單應(yīng)用[J].科技信息，2010(23):282-283.

Design of optical filter temperature measurement system based on Pt1000*

ZHAO Jin-biao1,2, ZHU Qing-sheng2,3, ZHOU Xiao-jun2,3, WAN Min-hui1,2

(1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 2. Nanjing Astronomical-Instrument Research Center,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210042,China; 3. Nanjing Astronomical Instruments Limited Corporation,Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210042,China)

Aiming at the problems of the temperature measurement of birefringent filter during astronomy and meteorology,hardware and software structure of filter bridge type temperature measurement system is designed and least square method is adopted to fit calibration system,based on interconnected STM32 processor and three-wire type Pt1000 platinum thermal resistance.The experimental results show that the system can real time monitor temperature of center area of filter,and measurement error is ±0.005 ℃ near 42 ℃，measurement precision of apparent velocity in solar active region is guaranteed.

STM32; Pt1000; filter; temperature measurement system; least square method

2016—07—22

中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(XDA04077402)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0073—04

TP 211

B

1000—9787(2017)06—0073—04

趙金標(biāo)(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘煳膬x器的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)。