基于STM8S的溫度測量儀的設計

趙曉菲，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 200135)

基于STM8S的溫度測量儀的設計

趙曉菲，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 200135)

基于STM8S的溫度測量儀的設計是以STM8S為控制核心，對溫度測量進行研究，外圍模塊主要包括溫度測量模塊、顯示模塊、電源模塊、鍵盤模塊，具有測量結果顯示、測量模式切換和過溫欠溫報警等功能。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，適合于人們日常生活和工農業生產中的溫度測量，STM8S與溫度測量傳感器的結合，可以作為一個系統，便于使用，有廣泛的應用前景。

單片機；溫度測量；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

在工業設備的制造過程中以及整機的性能測試中常會進行溫度的測量，有時還需要對正在運行的工業設備進行溫度的檢測和控制，在人們日常生活和科學研究等方面遇到各類格式的物理量是很正常的，例如化學量、生物學量(包括醫學方面)，從信號角度看，這些物理量都是經過溫度傳感器轉換成電信號(近代還可轉換成光信號)，然后再進行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制等過程。國內外溫度檢測技術隨著工業效率的不斷提高以及自動化水平迅速發展和范圍的不斷擴大[1]，自身的要求也不斷提高和嚴苛，一般歸納為以下幾方面：

(1)擴展檢測范圍。監控當前的行業范圍的溫度可以達到200～30 000℃，未來的發展趨勢是需要超高溫和超低溫檢測，在其中對液化氣體的極低溫度檢測是極為迫切的。

(2)對測溫對象的范圍進行擴大。溫度檢測技術要針對這些功能，能夠實現點測溫發展到實現線甚至面乃至整個立體的測量。它的應用范圍從工業生產領域擴展至家用電器、航空航天、環境保護、汽車工業等諸多領域。

(3)發展新型產品。利用已有的檢測技術生產出能夠滿足客戶需求的適用于不同場合、不同工況要求的新型產業產品，與此同時利用新的檢測技術繁衍出新生代產品。

(4)適應特殊環境的測溫。在防爆、防硫、耐磨等特殊場合，溫度測試器對這這些場合的應用都有著特殊的要求；另外還有諸如對火焰溫度檢測、高速旋轉物體、移動物體的測溫、鋼水的連續測溫等。

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

(6)自動化標定。 利用計算機技術進行快速、準確、自動的溫度傳感器的標定。

依據上述這些要求，國內的電子研究都將朝著以下幾個方面發展：

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

(2)對那些原理比較新的、材料比較新的、工藝比較新的投資研發力度要加強。。

(3)新興的產品應該能夠依靠微機系統的技術，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。

溫度檢測技術隨著國內外工業的不斷向前發展也取得了很大的進步，大致分為以下幾種方法：物體熱脹冷縮、熱電效應、熱阻效應以及熱輻射原理[3]。

目前溫度傳感器系列產品主要囊括以下幾類[4]：DS18B20數字溫度傳感器、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。此次設計就是在這些傳感器的基礎上進行整合，選取最適合環境的測量方法，從而提高測量系統的精度和準確度。

1 總體設計及原理

基于STM8S的溫度測量儀以STM8S為核心控制器件，外圍采用溫度測量模塊、鍵盤模塊、溫度顯示模塊、LED燈報警。本設計綜合多種溫度檢測電路，包括數字溫度傳感器、熱敏電阻和鉑電阻等實現高溫和低溫的測量[5]，具有測量結果顯示、測量模式切換和過溫欠溫報警等功能。其基本構成如圖1所示。

圖1 溫度測量儀系統構成

2 基本工作過程

單種的溫度測量儀不可能適用于任何環境，本設計想要將目前五種溫度測量儀產品分成五個模塊，與單片機連接，通過接口控制模式的選擇，從而選取在環境中較為精確、較為適宜的測量方法。通過A/D轉換，利用數碼管顯示，進行溫度監測，被測溫度和系統模式均可數字顯示,當溫度超出設定范圍時通過聲、光報警。本設計采用32引腳封裝，提供多達9個I/O口,分別以PA、PB、……、PI命名，可通過編程方式將引腳電路結構完全相同的每一個I/O口、同一個I/O口內的任意一個I/O口進行為：浮空輸入方式(復位后的缺省狀態)、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 溫度測量模塊電路設計

AD590恒流輸出，電流為1 μA/K。在電路設計中使用1 kΩ電阻與其相串連，此電阻兩端的電壓為0.001 V/K。在零攝氏度時電阻兩端的電壓為0.273 V，進行跟隨，再經過差分放大電路把電壓放大10倍，然后進行A/D轉換，讀出被測溫度。因為AD590的工作電壓使用的是5 V，而LM324也是如此，同時還要將輸出電壓控制在3.3 V內，所以具體的做法是在對電阻的電壓進行跟隨后與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進行A/D轉換，該電路是將兩個輸入信號的差值作為電路有效輸入信號，輸出信號是對這兩個輸入信號之差進行放大。假設這樣一種情況，即使存在干擾信號，也會對兩個輸入信號產生相同的干擾，但因為是差值，所以干擾信號的有效輸入值為0，從而達到了抗共模干擾的目的，溫度范圍為0～100℃。設計電路中采用LM35溫度測量的典型電路，再對電壓進行跟隨，從而使得輸出電壓控制在3.3 V范圍內，再進行A/D轉換，從而顯示測量溫度，能達到的溫度測量范圍為-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，本設計中采用后者。寄生電源供電和電源供電是DS18B20的兩種供電方式，對于電源供電方式而言，接地為1引腳，信號通信線2引腳，電源3引腳。可以用一個MOSFET管對總線進行上拉，從而可以使得DS18B20在時鐘周期內能夠有充足的電流，更加確保其功能的實現。當在特殊時段，即DS18B20在溫度轉化環節時，必須有最長10 μs的強大電壓的上拉開啟時間，以完成溫度的A/D轉換操作。而VDD和GND引腳端都接地時即是寄生電源供電方式的具體表現。正是由于一線制的單線操作的緣由，對發送口的要求即是其一定要為三態的。由于PT100有著眾多的優勢，其測量范圍很大，在-200～+650℃之間，而且誤差極小，穩定耐壓等。所以使得PT100廣受電子愛好者的使用。具體的技術參數。

(1) 測溫適合范圍：-200℃～+650℃。

(2)測溫精度：0.1℃。

(3)穩定度：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量其本身的電阻值而得到溫度的測量，通過充放電過程來測量被測電阻，再經過比較器轉換成電壓信號，然后再對其做A/D轉換，最后將A/D轉換后的數據傳給CPU做出相應的溫度值計算。設計選用的是專門用于非接觸式測量體溫的PM611，該傳感器是一個單一的敏感元件，因為它使用一個補償元件接收元件和兩個平行的串聯結構，所以它可以有效地補償環境溫度波動、振動干擾。它的工作溫度是-20℃～+100℃，十分合適在人體溫度方面的測量。

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 軟件設計

STM8S對溫度傳感器的數據進行處理，通過顯示模塊進行顯示。

(1)主程序設計

STM8S對溫度傳感器的數據進行處理，通過顯示模塊進行顯示，具體流程如圖6所示。

圖5 PT100原理圖

(2)各測量模塊程序設計

DS18B20因為不需要AD轉換，即可將溫度轉換成數據，故流程圖如圖7所示。

LM35和AD590溫度測量均通過STM8S的AD轉換口對數據進行轉換，通過跳線將二者區別開來，具體流程圖如圖8所示。

Pt100溫度測量是通過對電容進行充放電，利用充放電時間與電阻阻值成正比，從而測出溫度，具體流程圖如圖9所示。

鍵盤對五種模式進行選擇，顯示模塊通過動態掃描顯示被測溫度。

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

系統源程序采用Keil μ Vision 4版本軟件仿真器進行整體和分步的調試。首先，畫出整體的程序流程圖，然后根據流程圖和系統的硬件連接寫出詳細的C語言程序，在調試時先進行模塊測試，減少錯誤幾率再進行集成測試，最后進行系統測試，直到調試成功為止。

5 結論

基于STM8S的溫度測量儀設計采用LM35、AD590、PT100、DS18B20以及PM611紅外測溫作為溫度測量模塊，能夠選擇某種環境下最適宜的測量方式，是一種新型溫度測量系統。

系統以STM8S為控制核心，依靠其功能強大、使用方便等特點，使總體性能更高，其表現的技術特點如下：

(1)系統采用五種溫度傳感器作為溫度測量模塊，功能強大，便于使用，切合實際。

(2)通過軟件設計來實現上下限過溫報警，有效地進行控溫。

(3)系統通過鍵盤來選擇溫度測量模塊，在特定環境下測量更加精準。

(4)系統最大特點是便于使用，綜合多種測量方式，可作為系統使用。

[1] 谷艷豐.多功能智能化溫度測量儀的研究與開發[D].沈陽：東北大學,2003.

[2] 干進杰,李學武.溫度傳感器的選型技巧[J].科技創新導報,2008(32):22.

[3] 王超.基于ARM9與AD590的溫度檢測系統的研制[D].杭州：浙江工業大學,2011.

[4] 尋艷芳.溫度傳感器[J] .消費電子,2014(2):100.

[5] 王晶晶,李芳培,李安順.低溫推進劑火箭超低溫溫度測量技術[J].重慶理工大學學報(自然科學版),2012,26(10):42-45,61.

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的溫度測量儀的設計[J].微型機與應用，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：港口無線通信與計算機測控。E-mail：1376850141@qq.com。

曾連蓀(1962-)，男，教授，研究生導師，主要研究方向：定位導航系統、無線測控系統。