基于STM32的鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉 剛，陳樹新

（北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

在電傳動實驗中，需要對電機和驅動器電力器件進行溫度監(jiān)測，防止電機和電力器件由于溫度過高而損壞，因此溫度的實時精確測量就顯得十分重要[1-4]。對于此類實驗的溫度測量多采用PT100鉑熱電阻，鉑熱電阻具有準確度高、性能穩(wěn)定、耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點，一直是工業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件[5-7]。

實際測量中，電機內(nèi)部的鉑熱電阻傳感器往往體積和功率較小（通過電流小于1 mA），如果按照傳統(tǒng)的恒流源方法，不僅會使電阻發(fā)熱造成測量不精確，還會損壞鉑熱電阻傳感器[8]。另外，鉑熱電阻的信號線往往很長，會達到幾十米甚至上百米，由于引線電阻與PT100串聯(lián)，增大了電阻，會使得測量誤差非常大[9]。與此同時鉑熱電阻的非線性特性也會帶來一定的誤差[10]。

為解決以上問題，本文以STM32單片機為核心，采用三線制鉑熱電阻橋式測溫法，設計并實現(xiàn)了一套具有CAN接口的測溫系統(tǒng)，用精密電阻箱對系統(tǒng)做了標定，可在線精確測量溫度范圍（0～250）℃。文章對該系統(tǒng)的測量原理、模型、標定方法和實驗結果進行了介紹。

1 鉑熱電阻測溫原理

鉑熱電阻溫度測量原理是將溫度值的變化轉化為電阻值的變化。通過已知的溫度和電阻的關系，用測量電阻的方法得出當前溫度值。

鉑熱電阻的阻值RT與溫度T之間的關系是非線性的，如式（1）所示，當溫度在（0～650）℃時，

其中：RT和R0分別是T℃和0℃電阻的阻值。

2 測溫系統(tǒng)模型

圖1為鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)組成框圖，圖中的STM32測溫模塊每一塊具有4路溫度采集和1路CAN通訊。具體運用中可以根據(jù)工程中被測溫度數(shù)量，取用任意塊測溫模塊。測溫模塊可隨意安裝在方便測量鉑熱電阻信號的地方，所有測溫模塊通過CAN總線連接起來，在總線兩端配上終端電阻，將測得的信號數(shù)據(jù)發(fā)送給動力監(jiān)測系統(tǒng)或任何具備CAN通信的設備。實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)即時傳輸，在線測量。

圖1 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of temperature measuring system for thermistor

圖2為測溫系統(tǒng)的原理框圖，PT100經(jīng)過不平衡電橋后轉為毫伏電壓差信號，再經(jīng)過差分比例放大后送入STM32中進行AD轉換運算。把PT100的阻值信號轉化為電壓差信號。

圖2 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of temperature measuring system for thermistor

系統(tǒng)采用圖3中鉑熱電阻RT的三線式接法，設導線長度AB=AC=AD，即RAB=RAC=RAD，此接法相當于在電橋兩路同時加入了電阻RAB、RAD和電阻RAC、RAD。對測量RT的阻值毫無影響，消除了兩線制接法中鉑熱電阻導線電阻帶來的誤差。

圖3 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)硬件原理圖Fig.3 Hardware block diagram of temperature measuring system for thermistor

圖3中UD為橋路所加電壓，通過選擇U101可以改變橋路電壓值，通過改變R1、R2的阻值可以調(diào)節(jié)通過鉑電阻RT的電流大小，因此可以根據(jù)鉑熱電阻傳感器的功率大小來改變通過它的電流大小，避免傳感器發(fā)熱損壞造成測量誤差。

由于電橋輸出的電壓差很小，如果直接用STM32的AD輸入來采集，電壓信號太弱造成數(shù)據(jù)偏差較大；所以本系統(tǒng)中將電壓差經(jīng)過差分比例放大后與電壓跟隨器相連，再送給STM32單片機采集。圖3中用來調(diào)節(jié)放大器增益，R4=R5，R6=R7，通過電路可以得到RT與UOUT的關系式：

3 測溫系統(tǒng)的標定和數(shù)據(jù)處理

為避免鉑熱電阻的非線性和不平衡電橋硬件電路非線性 （主要指放大器飽和部分帶來的非線性）所帶來的誤差，首先要對系統(tǒng)做標定。

方法是通過恒溫箱得出PT100鉑熱電阻在（0～250）℃各個溫度點所對應的阻值，再用精密電阻箱代替PT100，即將圖3中的RT用精密電阻箱取代，調(diào)節(jié)精密電阻箱的取值，通過STM32的12位AD模塊進行采樣，得到在各阻值下對應的電壓輸出UOUT。如表1所示，數(shù)據(jù)只列出了每隔10℃的測量結果。

表1 測溫系統(tǒng)標定數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration data of temperature measurement system

表1中輸出電壓UOUT的范圍為（0～5）V，這主要取決于STM32的AD模塊輸入為（0～5）V。通過調(diào)節(jié)電阻R8的阻值可以改變輸出電壓UOUT的取值，也就等于改變了系統(tǒng)的溫度測量范圍。由于本系統(tǒng)主要用于電傳動實驗中電機溫度和驅動器電力器件溫度測量，所以選擇溫度范圍為（0～250）℃足夠。

為了進一步減小由不平衡電橋電路帶來的非線性誤差，本文將表1中的結果用最小二乘法擬合，得到如圖4所示的曲線圖。

圖4 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)標定數(shù)據(jù)擬合圖Fig.4 Calibration data of temperature measuring system for thermistor

圖4中的X軸為輸出電壓UOUT，Y軸為溫度。由此可以得到一個關于電壓和溫度的多項式：

式中：A=-0.099，B=52.64，C=-5.875。 通過 STM32 的12位AD模塊來采集電壓UOUT，再代入式（3）計算即可得到被測溫度值T。

4 系統(tǒng)軟件設計

鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 鉑熱電阻橋式測溫系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Software flow pattern of temperature measuring system for thermistor

系統(tǒng)在第一次測量前，需要通過CAN總線來設定式（3）中的標定擬合參數(shù)A、B、C。成功設定后便可以測得溫度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要通過CAN總線完成，采用主從式通信方式，即動力監(jiān)測系統(tǒng)或帶CAN通信的上位機作為主機，STM32測溫模塊作為從機，每一個測溫模塊在采集到溫度之后，進行數(shù)據(jù)處理，然后由主機發(fā)送指令確定其工作模式，工作模式1表示測溫模塊每隔一段時間向主機發(fā)送當前測量值，工作模式2表示采集模塊在接收到主機發(fā)送的讀取數(shù)據(jù)指令以后，將采集結果返回給主機。

5 實驗與結果分析

為了驗證本系統(tǒng)的測量精度，將PT100鉑熱電阻放入恒溫箱中進行測量，每個溫度點測量3 min取均值，將結果與恒溫箱設定溫度進行對比。得到表2的測量結果，數(shù)據(jù)只列出了每隔10℃的測量結果。表中T1為恒溫箱的設定溫度，T2為本系統(tǒng)測量溫度。e為本系統(tǒng)的絕對誤差

表2 本系統(tǒng)測量結果與誤差Tab.2 Measurements and error of temperature measurement system

從表格中可以看出本系統(tǒng)的測量絕對誤差控制在0.1℃以內(nèi)，完全適用于對電傳動實驗中電機溫度以及驅動器電力器件的溫度測量，滿足測量精度需求。

6 結語

本文提出的三線制鉑熱電阻橋式測溫方法很好地解決了電傳動實驗中電機和驅動器電力器件溫度的精確在線測量，給出了鉑熱電阻測溫原理與方法，通過三線制接法來消除傳感器引線電阻帶來的誤差。采用不平衡電橋測電阻的方法，來避免小功率鉑熱電阻在測量時發(fā)熱損壞引起的誤差。用精密電阻箱代替PT100鉑熱電阻對系統(tǒng)做了標定，采用最小二乘法來消除測溫系統(tǒng)的非線性，使系統(tǒng)的測量絕對誤差小于0.1℃。并且設計了一款基于STM32位單片機的測溫模塊，使測量數(shù)據(jù)可以同步傳輸。同時可以兼容任何一個使用CAN總線通信的設備終端，真正實現(xiàn)溫度遠程在線測量。具有相當高的精確度和實時性。

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