基于STM32的測溫實驗平臺的設計

王 標，吳 薇

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥 230009）

溫度測量是人們日常生活及工業現場中必不可少的重要環節，本論文所設計的多類型溫度測量儀以STM32F4芯片為控制核心，選用較常見的、工業應用廣泛的集成式數字溫度傳感器DS18B20、紅外溫度傳感器MLX90614、PT100和PT1000鉑熱電阻溫度傳感器、K型和T型熱電偶溫度傳感器作為感溫元件進行溫度測量。

1 整體方案設計

如圖1所示，本系統設計采用集成式數字溫度傳感器、紅外溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和鉑熱電阻溫度傳感器作為感溫元件，通過前端信號處理電路，用STM32處理器處理數據，最后實時顯示在數碼管上，用串口進行上位機通訊和系統調試，按鍵分為兩個部分，一部分作為輸入控制選擇熱電阻測量方式：二線制、三線制或者四線制；另一部分作為控制選擇熱電偶溫度傳感器測量方式，進行溫度補償或者不進行溫度補償。數碼管和按鍵構成人機交互界面，達到系統與操作者的輸入與輸出交互功能。

圖1 整體方案系統框圖Fig.1 Overall scenario system block diagram

圖2 DS18B20溫度傳感器接口電路圖Fig.2 DS18B20 Temperature sensor interface circuit diagram

圖3 MLX90614紅外溫度傳感器接口電路圖Fig.3 MLX90614 Infrared temperature sensor interface circuit diagram

圖4 PT100/PT1000線制選擇電路圖Fig.4 PT100/PT1000 Wire selection circuit diagram

2 硬件系統設計

2.1 集成式溫度傳感器模塊設計

本設計針對集成式溫度傳感器的選取主要考慮的方面為使用方便、可行性高、市面上應用比較廣泛。因此，本設計選取了比較常見的DS18B20傳感器。

DS18B20工作時被測溫度值直接以“單總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾能力[1]。其內部采用在線溫度測量技術，測量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃時，精度為±0.5℃。具體接口電路如圖2所示。

2.2 紅外溫度傳感器模塊設計

紅外測溫的原理為黑體輻射定律，它具有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩定性好等優點。

本設計中采用的典型紅外傳感器為MLX90614溫度傳感器，該傳感器既集成了探測器同時還將信號處理芯片一并集成在片內，測量出來的溫度存儲于處理芯片的內部RAM之內[2]。本設計中，MLX90614溫度傳感器采用3.3V電源供電，將SCL和SDA端接至單片機的兩個IO口，通過配置IO口電平的大小實現IIC協議數據傳輸，從而將紅外溫度傳感器的輸出數值送往單片機最終顯示在數碼管上，具體接口電路如圖3所示。

2.3 鉑電阻溫度傳感器模塊設計

PT100/PT1000溫度感測器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器，屬于正電阻系數，當PT100/PT1000在0℃的時候它的阻值為100Ω/1000Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速地增長[3]，其電阻和溫度變化的關系式如下：

其中，α=0.00392，Ro為100Ω/1000Ω（在0℃的電阻值）。

鉑電阻3種接線方式分別可分為：二線制、三線制、四線制[4]。由于不同線制對PT100/PT1000的測量都存在影響，故本設計希望將這3種接法差異對比出來，故在進行PT100/PT1000測量之前應選擇好相對應的線制，故采用帶光耦隔離繼電器作為線制選擇的控制器。如圖4所示，采用MAX31865芯片作為熱敏電阻至數字輸出轉換器，通過繼電器控制FORCE+、RTDIN+、RTDIN-、FORCE-引腳的連接實現兼容于2線、3線和4線的傳感器連接。

2.4 熱電偶傳感器模塊設計

圖5 熱電偶信號處理電路圖Fig.5 Thermocouple signal processing circuit diagram

本設計中采用K型熱電偶和T型熱電偶作為感溫元件。熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大、靈敏度高、穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點。采用一款專門為熱電偶設計的冷端補償熱電偶至數字轉換芯片MAX6675，將熱電偶信號轉換成數字量，其內部具有冷端補償功能[5]，熱電偶接線電路圖如圖5所示。由于補償導線長達3m，故采用AD轉換芯片AD7793與PT100熱敏電阻組合搭建冷結補償模塊實時測量熱電偶冷端溫度，即可實現通過按鍵選擇實時讀出熱電偶補償前后的溫度，方便對比補償前后的溫度差別[6]。

3 交互軟件設計與實現

整個系統在啟動后首先進行初始化，初始化過程包括對各傳感器、數碼管、按鍵等的輸入或者輸出端進行配置和初始化。初始化后開始獲取各傳感器所返回的測量值，其中由于鉑熱溫度傳感器存在線制選擇、熱電偶溫度傳感器存在補償前后選擇，故在獲取測量返回值之前必須確定目前所處的鍵值，鍵值確定通過按鍵按下獲取，最終輸出每種測量方式下的溫度數值，所有的溫度數值都將實時顯示在相對應的數碼管上。

獲取各傳感器返回值后對返回值進行數據處理，對于DS18B20集成式溫度傳感器，其返回值為16位有符號BCD碼，其溫度與返回值之間轉換公式為：

對于MLX90614紅外溫度傳感器，其測量返回值也是16位有符號BCD碼，其溫度與返回值之間轉換公式為：

熱電偶溫度測量經AD轉換后返回值為32位BCD碼，其中第4位到第15位為經冷端補償計算后數值，故應取出所需的值：

表1 實驗數據Table 1 Experimental data

其溫度與返回值之間轉換公式為：

鉑熱電阻溫度傳感器經AD轉換后為16位有符號BCD碼，其溫度與返回值之間轉換公式為：

4 實驗數據

完成以上設計后，編寫程序并燒錄進實驗臺進行實驗。用加熱槽加熱水30℃并穩定，再進行測溫實驗，實驗數據如表1所示。由表格數據可知，各類型傳感器測溫數據皆正常且精確貼近預設溫度值。

5 總結

本論文主要圍繞溫度測量展開，采取多種不同的方式來進行溫度測量，主要測量方式有鉑電阻溫度測量、熱電偶溫度測量、紅外輻射測量、集成式溫度測量等。其中的鉑熱電阻測量分為PT100和PT1000兩種傳感器，每個傳感器又分為二、三、四線制；熱電偶測量分為K型和T型兩種傳感器，每個傳感器又分為補償前、補償后，每種方法都需要搭配不同的處理電路以便進行信號采集。另外每種方法又對應一塊數碼管用來顯示溫度的變化，同時也方便進行不同方法間的對比。

本論文集成了4種工業現場常見的溫度測量方法，使用其典型傳感器和典型處理方法，較為全面，可為學生學習提供經典樣例，使學生在學習時能更清楚相關傳感器的使用和工作狀態、測溫范圍、精度等。在價格方面，該平臺較市場上的類似產品更為低廉，更適合作為學生日常學習的實驗平臺。