基于四線(xiàn)制PT100的高精度溫度采集系統①

張亞芳

(阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 阜陽(yáng) 236000)

1.1 總體設計思路

本設計需要實(shí)現的溫度測量是一種低延遲、高精度、魯棒性好的溫度測量,要實(shí)現這樣的溫度測量,滿(mǎn)足負50攝氏度到正260攝氏度的全范圍溫度測量,常見(jiàn)的溫度傳感器不能滿(mǎn)足本設計的溫漂、精度、抗干擾等特性,這些溫度傳感器遠遠不能實(shí)現本設計的要求,故本設計選擇了一款能夠滿(mǎn)足本設計精度要求和測量溫度范圍的溫度傳感器,它就是PT100。PT100具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。傳統數字溫度傳感器雖然具有一定的價(jià)格優(yōu)勢,但是對于這種對精度要求比較高、測量范圍比較廣的場(chǎng)合具有很大的局限性,所以本設計選擇了PT100作為本設計的溫度傳感器,對測量單元進(jìn)行溫度測量。在單片機的選型上,本設計選用了現在行業(yè)領(lǐng)先的STM32單片機,顯示器部分,本設計采用的是LCD12864顯示單元,它可以同時(shí)顯示多行的數字或者漢字,有128×64的最小顯示單元[1]。本設計的整體系統框圖如圖1所示:

1.2 關(guān)鍵元件選型

對于溫度采集傳感器的選型,本設計選擇的是PT100電阻。在PT100的多種接線(xiàn)方式中選擇了四線(xiàn)制的接線(xiàn)方式,因為這種接線(xiàn)方式能夠有效地考慮線(xiàn)阻,精度最高。采集電路采用差分放大器電路,一方面能夠有效地濾除系統中的共模干擾、濾除環(huán)境磁場(chǎng)和板載干擾,提高采樣穩定性,另外一方面能夠調節PT100的采樣區間,達到最優(yōu)的放大效果,提高采樣精度?？刂坪诵牟捎矛F在主流的基于M4內核的STM32單片機,具有極高的性?xún)r(jià)比,性能穩定。顯示系統采用的是串行LCD12864顯示屏,它具有顯示使用壽命長(cháng),價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

圖1 本設計的整體系統框圖

2.1 單片機最小系統

2.1.1 芯片資源介紹

對于單片機的認識,首先要看其設計構架,STM32采用的是ARM設計構架,現在新興的ARM設計構架從低端的ARM0到高端的ARM11形成了全系列的應用功能需求。本設計采用的是M4系列單片機,可以通過(guò)倍頻的功能最高達到72兆赫茲的工作頻率,根據不同的用戶(hù)需求,在M4內核中也有不同的引腳分配,從36引角到144引角不等,以滿(mǎn)足不同用戶(hù)對不同設備和不同場(chǎng)合的驅動(dòng)需求。在存儲空間上也有不同,主要分為三個(gè)檔,分別為小容量、中容量和大容量。小容量的內存flash一般在128k左右,中容量一般在512k,大容量的一般在1000k。同時(shí)單片機具有豐富的I/O接口和ADC接口,ADC接口一般可達十多個(gè),同時(shí)可以加載多路時(shí)鐘線(xiàn)以及外部觸發(fā)中斷線(xiàn),并且具有良好的低功耗性能,可以應對移動(dòng)終端設備對于低功耗的需求,并且帶有低頻工作時(shí)鐘晶振,以應對低功耗情況下的使用需求。

STM32單片機是一種獨特的微處理器,是用來(lái)對數字信息進(jìn)行數據處理的元器件,其工作原理是接受相應的信號,對數字信息進(jìn)行數據運算,并把數據模擬輸出。它具有可編程性,運行速度高達每秒數千萬(wàn)條控制指令。STM32單片機受到溫度、濕度、光照等外部環(huán)境的因素非常小,具有較強的抗電磁干擾能力。

2.1.2 電源設計

本設計的LDO選用的是AMS1117,將USB輸入的5伏電壓轉換成3.3伏電壓為本設計系統提供電源。AMS1117采用的是SOT-223封裝,有一個(gè)很大的散熱引腳,可以有效的進(jìn)行散熱,因為這個(gè)散熱引腳的存在,大大增加了芯片的過(guò)流能力,AMS1117瞬間最大過(guò)流能力達到一安電流。AMS1117中有很多系列,本設計選擇的是AMS1117-3.3,這種芯片的輸入電壓最高可達到12伏,輸出恒定3.3伏電壓,這種電源芯片的穩壓效果相對于DCDC的穩壓,雜波少,符合傳感器對電壓精度以及紋波的要求。AMS1117的外圍電路相對于DCDC來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單,沒(méi)有復雜的電感、二極管等,只需要濾波電容和儲能電容即可。AMS1117有四個(gè)引腳,三號引腳為電源輸入引腳;四號引腳為電源輸出引腳,穩定輸出3.3V電壓;一號引腳為參考地引腳。C17,C18電容為100nF,主要起到濾除高頻噪聲的作用,C16,C19為10uF,主要用來(lái)濾除低頻雜波和儲能作用,同時(shí)穩定電壓的跌落,為瞬時(shí)的大電流提供能量,增強電源的抗干擾能力。AMS1117電源系統原理圖如圖2所示:

2.1.3 復位電路

復位電路的作用是實(shí)現在上電初期通過(guò)電平的變化,對單片機進(jìn)行復位,實(shí)現系統初始化。單片機復位電路由電容和電阻以及按鍵組成。整體的上電過(guò)程中的電平變化會(huì )被單片機的復位引腳識別到,進(jìn)而復位內部芯片,在特殊情況下本設計可以通過(guò)復位按鍵對程序復位,設計中經(jīng)常遇到的程序跑飛或者程序工作不正常的異?，F象,可以通過(guò)按下復位鍵讓系統回歸為初始狀態(tài)重新工作。

圖2 AMS1117電源系統原理圖

2.1.4 晶振電路

晶振電路形象地來(lái)說(shuō)就像是我們生活中的時(shí)鐘一樣,任何的操作都是以時(shí)鐘作為基礎的衡量單元。晶振電路主要是由石英晶體和起振電容組成的。石英晶體可以理解成一個(gè)彈簧,只要有電壓進(jìn)入其中,就會(huì )跟隨一起反復來(lái)回震蕩運動(dòng),并且這個(gè)運動(dòng)的頻率是固定的,這是由石英晶體的固有特性決定的,本設計選擇的是8MHz的晶振,配合芯片內部的分頻電路,可以實(shí)現72MHz的工作頻率[2]。

2.2 四線(xiàn)制PT100高精度硬件電路

在溫度的變化過(guò)程中,PT100溫感探頭的溫度變化曲線(xiàn)是已知的,能夠根據電阻的阻值得到相應的溫度數值,PT100的溫感探頭的溫度系數主要分為A,B,C三類(lèi),本設計采用精度最高的A類(lèi)型探頭,溫度采樣精度為0.15+0.002|t|。這個(gè)測量精度前面的0.15很容易理解,就是測量的固有誤差,是電阻物理特性所決定的,后面的0.002|t|是測量溫度所引起的變化誤差,可以簡(jiǎn)單理解在高溫和低溫情況PT100的精度相對中間測量溫度有所下降,例如在0℃時(shí),通過(guò)計算采樣精度為0.15℃;同理在100℃時(shí),通過(guò)計算采樣精度(0.15+0.002*100)=0.35℃。這個(gè)采樣精度是傳感器的自身誤差,不能夠通過(guò)電路設計進(jìn)行優(yōu)化去除,但是可以通過(guò)算法校準在特定的使用場(chǎng)合進(jìn)行優(yōu)化,以提高測量精度。PT100常見(jiàn)的接法電路主要分為三種,分別為二線(xiàn)制、三線(xiàn)制、四線(xiàn)制,二線(xiàn)制不考慮測量導線(xiàn)引入的導線(xiàn)電阻,所以一般適用于測量導線(xiàn)較短,測量精度要求不高的場(chǎng)合。三線(xiàn)制是現在工業(yè)設備中使用最為廣泛的接線(xiàn)方式,這種設計必須要保證R1,R2,R3三根引線(xiàn)是材料、長(cháng)度和粗細是一致的,這樣就可以通過(guò)分別測量?jì)蓚€(gè)正端的電阻阻值,然后進(jìn)行減法運算得到溫感探頭真實(shí)阻值[3]。四線(xiàn)制的PT100能夠有效地降低導線(xiàn)電阻在測量過(guò)程中的誤差,但是測量電路相對較為復雜,需要制作恒流源進(jìn)行測量。

假設R1,R2,R3,R4是PT100的四根導線(xiàn)的電阻,當R3,R4接電流源的時(shí)候,則R1,R2接監控設備。監控設備可以認為是開(kāi)路狀態(tài),當電流源電流恒定為I時(shí),監控設備采集的電壓為U,就可以通過(guò)R=U/I計算出電阻Re的阻值,進(jìn)而對應真實(shí)的溫度。

2.3 恒流源電路對于恒流源的設計

本設計巧用LM317內部基準電壓VREF,實(shí)現電流源的產(chǎn)生。由于其LM317內部的芯片反饋機制,在LM317的輸出引腳和電壓反饋引腳之間的電壓是恒定不變的,基本都是1.25V,因為個(gè)體差異會(huì )有少許偏差。通過(guò)測試得到LM317整體電流源精度可以達到0.1%的精度,能夠滿(mǎn)足采用所需的電流精度要求。

2.4 差分放大電路

差分放大器是利用放大器的對稱(chēng)電路,對于兩個(gè)輸入點(diǎn)的電壓進(jìn)行對比,從而計算出兩個(gè)輸入端之間的差異。本設計采用的放大器為廣泛使用的LM358,能夠對小信號進(jìn)行多達一百倍的放大,因為本設計采集的PT100的原始信號不經(jīng)過(guò)原點(diǎn),所以不需要考慮放大器的零漂問(wèn)題以及最小放大電壓?jiǎn)?wèn)題,并且本設計可以在軟件上對參數進(jìn)行局域校準,所以不需要過(guò)多關(guān)注系統的采樣固有誤差,但是采樣對系統的穩定性要求較高,這直接決定了采樣的精度高低。本設計的放大倍數為4倍。差分放大器電路如圖3所示:

圖3 差分放大器電路

應用虛斷的概念,R3和R4形成一個(gè)分壓電路。V+(運放的正輸入端電壓)等于V2 * R4 / (R3 + R4)。

應用虛短的概念,V-就等于V+。對V1,R1,R2一路列方程:

(V-- V1) / R1 = (Vout - V-) / R2

(1)

將V+ 的表達式代入V-

Vout * R1 = V2 * R4 / (R3 + R4) *

(R2 + R1) - V1 * R2

(2)

因為R1=R3,R2=R4,進(jìn)一步整理,則得到最后的表達式為

Vout = (V2 - V1 )* (R2 / R1)

(3)

2.5 LCD12864顯示屏部分

本設計的LCD12864顯示模塊有12個(gè)引腳,1到4引腳是用來(lái)給背景燈珠供電以及參考地的引腳,第五個(gè)引腳是顯示屏的復位引腳,第六個(gè)是模式選擇引腳,第七個(gè)是SPI通訊的數據通訊引腳,用來(lái)傳輸顯示數據。第八個(gè)是SPI通訊的時(shí)鐘通訊引腳,用來(lái)提供通訊的時(shí)鐘基準。第九個(gè)是顯示屏的整體供電引腳,本設計采用3.3伏供電,第11個(gè)是顯示屏的片選引腳,旁邊的C3電容用來(lái)降低高頻奇次諧波。

3.1 軟件總體設計

本設計根據功能要求進(jìn)行了軟件邏輯的設計,實(shí)現了本設計所要的功能。在系統上電后,首先要進(jìn)行系統的初始化,然后對ADC進(jìn)行初始化,配置本設計的溫度傳感器輸入的端口,復用單片機的ADC口,本設計選擇的是PA7,單片機ADC1轉換器的第七個(gè)通道,同時(shí)設置采樣頻率等參數。然后讀取PT100與高精度低溫漂電阻之間的電流乘以電阻之后的電壓值,送到單片機的ADC引腳進(jìn)行模數轉換。為了保證轉換的精度和濾除系統轉化過(guò)程中存在的系統誤差,本設計采用轉換100次,將ADC轉換值進(jìn)行累加處理,然后求平均值的方案,本設計的循環(huán)轉換函數會(huì )判斷是否達到100次轉換,如果沒(méi)有達到,記錄本次轉化的數值并進(jìn)行累加,接下來(lái)進(jìn)行下一次的ADC轉換,當達到100次轉換時(shí),結束ADC采集轉換并求取100次轉換的平均值。獲得ADC轉換值后,通過(guò)計算得到電阻阻值的高低差異,然后通過(guò)PT100的公式計算得到對應的溫度數值,最后通過(guò)單片機和LCD12864之間的SPI串行線(xiàn)將數據發(fā)送到顯示屏顯示。

3.2 PT100高精度電阻軟件設計

PT100溫度傳感器的軟件流程方案,首先本設計要對單片機的模數轉換資源口進(jìn)行分配,設置轉換頻率,采樣周期等參數,然后溫度采樣電阻分壓過(guò)后得到的電壓數值被單片機采集,并且轉化為ADC采樣數值,這個(gè)ADC采樣數值并不能反應溫度的真實(shí)數值,所以需要先將這個(gè)ADC采樣數值轉換成電阻數值,然后再通過(guò)PT100的電阻與溫度之間的對應關(guān)系進(jìn)行公式的計算,得到溫度數值。

3.3 LCD12864顯示屏軟件設計

本設計的顯示屏采用的是SPI串口通訊,共有四根線(xiàn)。一根是數據輸入線(xiàn),這根數據輸入線(xiàn)是單片機發(fā)送數據到LCD12864顯示屏的顯示數據,顯示數據遵循通訊數據格式。一根是數據輸出線(xiàn),SPI是雙向的數據通訊,有來(lái)有回,通訊速率可以達到10M/s,比IIC通訊速率提高了好幾倍[7]。一根是通訊時(shí)鐘線(xiàn),通訊時(shí)鐘線(xiàn)的作用是為兩個(gè)設備之間的數字通訊提供一個(gè)時(shí)間基準。一根是片選信號線(xiàn),就是單片機選擇是否和這個(gè)芯片進(jìn)行通訊。因為本設計的顯示屏只有數據輸入,沒(méi)有數據輸出,所以本設計的SPI通訊線(xiàn)中只有三根線(xiàn),少了一根數據輸出通訊線(xiàn)。

PT100鉑熱電阻通過(guò)它的阻值變化與溫度之間的關(guān)系,得出了一個(gè)比例系數,這個(gè)比例系數A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735,PT100在0到100度之間具有很好的線(xiàn)性關(guān)系,線(xiàn)性關(guān)系圖如圖4所示:

圖4 PT100線(xiàn)性關(guān)系圖

根據韋達公式求得阻值的換算公式:

t=(sqrt((A*R0)2-4*B*R0*(R0-Rt))-

A*R0)2/B/R0

(4)

但是這種線(xiàn)性的計算方式適用于采樣精度要求不高的場(chǎng)合,常見(jiàn)的兩線(xiàn)制的PT100設備多采用這種計算方式。對于本設計的四線(xiàn)制PT100采集系統,對于硬件的設計采用差分放大,有效減少了誤差干擾,對于軟件的算法,本設計采用查表法。查表法相對于公式計算法準確度更高,因為PT100傳感器采集的溫度與自身電阻之間的關(guān)系也不是絕對的線(xiàn)性關(guān)系,查表法能夠根據每個(gè)傳感器的采集差異進(jìn)行有效的校準,提高采樣精度[5]。PT100單個(gè)采樣真值表如圖5所示:

圖5 PT100單個(gè)采樣真值表

通過(guò)實(shí)際的測量可以測量出恒流源輸出的電流為0.042毫安,進(jìn)而可以得出溫度傳感器的電阻阻值,因為差分放大器采用的是1:4的放大倍率,整體放大倍數為4倍,假設通過(guò)STM32F401采集的adc的值為3000,通過(guò)公式計算的方式會(huì )存在系統誤差,如果采用溫度人員對其進(jìn)行調整的方式,通過(guò)查表法查詢(xún)出3000所對應的區間所在范圍為33數組和34數組之間,兩個(gè)數據之間相差的溫度為1℃,因為在這個(gè)極小的溫度區間內,認為其是為線(xiàn)性的,可以通過(guò)計算得到溫度值為30.5度[6]。