时间: 2024-02-04 14:30:00 | 作者: 加热管
王昌世(1957-)，男，硕士，高档工程师，首要研讨方向为温度丈量与操控。
摘要：选用高精度测温芯片（Si7051）对热电偶做冷端补偿；为做温度↔电压的转化,在热电偶分度表中做高密度双向线做动肩构成不平衡电阻桥来检测热电阻值；经过解析法求解Pt100的一元四次热电阻方程得到温度；运用高精度Σ-Δ且有易驱动功用的模数转化器（ADC）；选用ARM Cortex-3结构的高性能32位微处理器STM32F103。归纳这些技能,能使温控器测温分辩率到达0.001℃。对以上相关联的内容的差错剖析以及在STM32F103上的编程完成是本文论说的要点。文中所述不仅仅对温度丈量，对其它弱小电量、非电量（如压力，分量等）信号的丈量也是有学习效果的。
仍沿袭传统的测温电路结构：传感器→ 滤波→ 前置扩大1 → 传感器类型切换→ 前置扩大2 → 再滤波→ ADC → MCU 处理。并且ADC 一般集成在MCU 中，这不只分辩率较低（多为12 位或以下），参阅电源又多不可变。此种结构元件多，噪声大，不适合高精度测控。以热电偶为例，在0 ~ 661 °C的量程内，分辩率很难超越0.1 °C。精度也难超越0.5%
是温度的绝对值温度，单位是°C ）。近几年，许多IC 公司针对热电偶这样的微伏级的弱传感器信号，将上述传统测温结构集成到一同，推出了高分辩率（16 位、20 位和24 位），且有多通道的ADC，如
图1 所示是比较惯例的规划，相对简略。没有了专门的信号扩大、通道切换电路，滤波电路也是最简略的一阶无源RC。
最新的热电偶国际标准是2013 年版的IEC60584—1:2013，与之同等（IDT）的国家标准是GB/T1639.1—2018。它适合做相对高精度测温。从高精度的视角，应选购1 级差错（ 0.004 ×
在 −50 ~ 250 °C ）；或A级（次高档，±(0.15 + 0.002)
2）冷端（又称参比端[4]）补偿热电偶测温要处理一个冷端补偿问题。详细做法是：
②由于温度↔ 电压的非彻底线性关系，须在E 型分度表[4]，用线性插值算法，把tcj 还原成电压Vcj[3]。
③把Vcj 加到TC 的输出电压Vtc 上，作为TC 的输出电压一部分。
3）输出电压规模。对E 型热电偶，在−68 ~ 661 °C测温规模，查分度表[4]，对应的电压（ Vi ）规模是−3.711 ~ 49.997 mV。为进步分辩率，能够缩小量程并加大GAIN。FS 和GAIN 的界说见1.4。
需求把非电量的电阻变成电压信号，二线 的引线差错，不能消除，测温差错大（r = 0.225 Ω时，约为1 ~ 1.5 °C）。三线 不平衡电阻电桥如图 3（或图2）所示。
，ΔR 标明相对R0 的随气温改变量，有正负；Vcb 是桥路电源； Vb 是不平衡时桥压。三线 电桥对引线差错是可控的。
①实测， 2 m 长的 Pt100 引线 m 以内要求， 约为2.25 Ω 。再按式（4）， 要求R1 、R2 在r 千倍以上，以削减引线 kΩ；
[5]，以操控自热。但也不能太小，不然影响电桥测阻灵敏度，实践可取I p = (1 ~ 2) mA；
（4 便是GAIN），此刻，根据式（9） Vcb = 5 000 mV，再由式
（9）可得：在 −68 °C 时， Vb = −52.2 mV ，所以Vb 的规模是(−52.2 ~ 50) mV。桥压Vb 也经低通滤波（ R89 、R90 、C26 和C33 ） 后进入ADC 的差分通道（CH0-CH1，
这个相对差错很小，并且温度高于0.5 °C后，差错还会逐步再减小。归纳上述，只需满意式（3a），就能把引线电阻r影响降到以内，乃至更小（根据实践的需求规划）。
这在实践中是存在的）则会引进差错，此刻，这儿的三线电路也不能无缺处理实践问题。所以在购买时要向供货商提出三线 ADC的挑选和运用
①归纳分辩率比较高，差错小。名义上是16 位，实则17 位（包含符号位）的分辩率。抱负情况下，可分辩1 μV电压。
②有2 个差分通道，正好满意一般温控器对热电偶和Pt100 的输入需求，不需外加切换电路（会引进噪声差错）。③有内置的可编程增益扩大器（PGA， 1 ~ 256 ，分8 级）。
一般疏忽转化差错（偏移、非线性等），转化数据与Vref 成反比， 即ADC_Data =
为完成满度转化（正的转化数据到达0×10000），对热电偶，按1.3.1节，GAIN =
，ADC_Data 值动摇越大。GAIN 的挑选可经过操控器的按键来完成。
② F103 用的是3.3V 作业电压，而2486 用5V ，中心要有电平转化。为此，F103 的出信号（MOSI、SCK、NSS） 应设置为开路（OD）， 上拉电阻为(3.3 ~ 5.1) kΩ ；而 2486 的输出信号 SDO 则应经过电阻分压到3.3 V 后连到F103 的MISO。如图2 所示。
参照库函数编程。仅仅要留意设置PB13，PB15 线为复用漏极开路输出。此方法是为了在F103 与2486 间进行电平转化。
④ 2486 在转化完毕时会在SDO 引脚输出1 bit 低电平，它可作为转化完毕标志（即EOC 信号）来判别，一般用查询方法。
①在 (−68 ~ 68) °C（冷端所在温度一般为环境和温度），分12 段进行线 °C 为一个距离（取10 的整数倍为切割点）；②设Th 、Vh 、Te 、Ve 、Tcj 、Vcj 为float（浮点）变量，别离标明每段的首点温度；首点电压；末点温度；末点电压；补偿温度；补偿电压。
,floatVh，floatVe，floatTcj)，核算补偿电压值：⑤把Vcj 加到热电偶的输出电压（ Vtc ）中，即。2）程序（略）
在(−68 ~ 661) °C的测温规模内，仍以10 °C为距离在分度表中做线）算法”的线性插值算法。不同的是，输入是电压Vi ，结果是温度t。详细是：①、②、③同上；
。这时Th = 220 ， Te = 230 ，Vh = 14.912 mV， Ve = 15.664 。假定对热电偶丈量电压Vi 是精确的，按式（8），核算温度
2.4.1 把Vi0 换算成电阻Rt 的程序1）算法根据式（5），当满意式（3），则桥压
②让a = 0.000004183，b = −0.0004183，c = 0.5775，d = −3908.30，e = R
3.1 精度剖析丈量精度一般会小于分辩率，也便是说高分辩率是高精度的根底。
为 0.004。可对 K 或其它型热电偶做相似精度剖析。考虑到在相同的量程下，要到达Fs 值，需求取更大的GAIN，这将下降一些分辩率。
)。例如，显现值是68 °C，由于68 − 0.1− 0.0017 × 68 = 67.8864， 68 + 0.1+ 0.0017 × 68 =68.1156，所以实践温度或许是 (67.8864 ~ 68.1156) °C之间的一个值。留意，考虑电路规划的归纳噪声要素（包含元件精度的挑选），有时，或许达不到上述比较抱负分辩率的情况。
图4 显现的是STC 温控器测验的环境和温度时所得，值为20.693 °C。表 1、表 2 则是该温控器接连测验的数据记载，一个用Pt100，另一个是E 型热电偶。这些值有时能坚持～ 10 ~ 13 s ，一般～ 4 ~ 5 s ，标明该温控器的 Pt100 能分辩0.001 °C，热电偶能分辩0.014 °C。完成了高精度。
温控器的高精度温度测控负重致远，探究包含四线 运用在内的更新的测温技能来进步测温精度将是本实验室的下一个前行方针。
