基于恒流源驅動的熱電阻測溫電路系統的設計與研究

【摘 要】針對熱電阻測溫系統中，導線電阻所帶來的測量誤差難以克服的問題，通過采用恒流源驅動熱電阻以及通過加減運算電路來克服導線帶來的測量誤差，從而獲得了具有較高精度的模擬信號。通過STM32對返回的模擬信號進行定時采樣濾除干擾后進行AD轉換從而獲得了較高精度的溫度值。

【關鍵詞】STM32；恒流源；熱電阻

Thermal resistance temperature circuit system design and research based on the constant current source driver

Wang Long-XIN

（College of Automation and Electronic Engineering，Qingdao University of Science and Technology Shandong Qingdao 266042）

【Abstract】RTD temperature measurement system for measuring lead resistance errors brought insurmountable problem by using a constant current source drives the thermal resistance and by adding and subtracting circuit to overcome the measurement error caused by wire， which has won high precision analog signal. After AD conversion of the analog signal by returning timed sampling filter out interference and using STM32 so as to obtain a high accuracy temperature values.

【Key words】STM32；Constant current source；PT100

0.引言

溫度是化工生產過程的四大參數之一[1]，溫度測量在生產生活各種參數測量中占有非常重要的地位，測量溫度的傳感器既有傳統的熱電阻，熱電偶等模擬量溫度傳感器，又有諸如DS18B20等可以直接獲取數字量的溫度傳感器。鉑熱電阻是一種精度高、線性度好、測量范圍寬的溫度傳感器[2]。因此在實際溫度測量中鉑熱電阻獲得了非常廣泛的應用。但在實際熱電阻溫度測量電路中，由于設計不當常常會將導線電阻帶來的誤差引入測量電路中。對于PT100型熱電阻，溫度每變化一度，其阻值大約變化0.4歐姆，試想在遠距離布線測量溫度時，若不能很好的消除導線電阻帶來的影響，那勢必會大大降低測量結果的精度。因此設計合適的熱電阻溫度采集電路系統來消除導線電阻對溫度測量結果影響具有非常現實的重要性。

1.系統組成

基于恒流源驅動的熱電阻測溫電路系統以STM32F103C8T6為核心控制器，系統的原理框圖，如圖1-1所示，包括核心控制器STM32F103C8T6、恒流源驅動電路、信號采集電路、信號調理電路、顯示電路、按鍵電路以及電源電路 7 個組成部分。

圖1-1 系統結構原理圖

系統通過恒流源產生穩定的1.5mA電流，電流流過PT100熱電阻會產生微弱的電壓信號，信號調理電路可以把該微弱的電壓信號進行放大、濾波并送入STM32F103c8t6自帶的AD轉換接口進行AD轉換。系統根據AD轉換獲得的電壓值，通過計算電壓和熱電阻阻值的關系以及熱電阻阻值和溫度的關系方程求出測量到的溫度值并通過數碼管實時顯示測量結果。

2.硬件電路設計

2.1 STM32F103C8T6基本外圍電路

圖2-1 STM32F103C8T6基本外圍電路圖

STM32F103C8T6 片上系統是本測溫系統的控制核心，其基本外圍接口電路是保證系統正常工作的輔助電路，包括供電晶振電路、濾波電路、復位電路、啟動方式選擇電路等基本外圍電路。

2.2恒流源電路

恒流源驅動電路負責驅動溫度傳感器 PT100，將其感知的隨溫度變化的電阻信號轉換成可測量的電壓信號，實現 R-V 轉換。恒流源電路由運算放大器 LM358、3V基準電壓源、反饋電阻組成，考慮到LM358輸出電流的能力有限，所以設計恒流源輸出電流大小為 1.5mA。恒流源電路如圖2-2所示。其中U1A，U1B均引入了負反饋，前者構成同相求和運算電路，后者構成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R，因此：

U=U （1）

U=·U+·U=0.5U+0.5U （2）

U=U=2U （3）

將（2）式代入（3）可得：

U=UU （4）

R5上的電壓為：U=U-U=U

所以i=

所以恒流源輸出電流的大小只與U、R5有關。其中U=3V，R5=2K。

因此i=1.5mA。

圖2-2 恒流源電路原理圖

2.3信號采集調理電路

圖2-3 信號采集調理電路原理圖

信號采集及調理電路如圖2-3所示。RT為溫度傳感器PT100，PT100采用三線制連接方法。實際應用時，三根導線采用相同規格、相同長度的導線，因此三根導線實際電阻近似相等，假設為r1=r2=r3=r。電路中R6=100K、R7=100K阻值都比較大，因此，恒流源流經 R6 及 R7的電流可忽略不計。具體來說，對于圖中接法，運放U2A同相輸入端電壓V=V+V，運放U2A反向輸入端電壓V=V+V+V。基于r1=r2=r3的假設，有V=V。則運放A3的輸出V=2V-V=2（V+V）-（V+V+V）=V。即從理論上消除了引線電阻對測量結果的影響。由于經過一級放大獲得電壓信號仍然很微弱，所以還需要進一步的放大，即U02=U。最后將獲得電壓信號U02送入STM32F103c8t6進行AD轉換。

3.軟件處理

系統軟件包括AD轉換部分，數碼管顯示部分。為了提高溫度采集的精度，AD轉換部分每秒鐘采樣20次，并用插入法對所取的20個值進行排序，去掉一個最大值和一個最小值，剩下的18個取平均值。最后運用查表法找到該阻值對應的溫度值，并在數碼管實時顯示該溫度值。

4.結論

綜上所述，基于恒流源驅動的熱電阻測溫系統巧妙的電路設計消除了導線電阻對測量結果的影響，極大的提高了測量精度。軟件采用每秒鐘采樣多次并去掉最大值和最小值對剩下的數據取平均值的方法高了系統的抗干擾能力，經試驗證明該系統長期運行穩定可靠，有較強的應用價值。

【參考文獻】

[1]劉麒，張莉，王影.實用的熱電阻測溫電路設計[J].吉林化工學院學報，2011，28（11）：84-86.

[2]譚長森.基于PT100型鉑熱電阻的測溫裝置設計[J].工礦自動化，2012，38（3）：89-91.