基于ARM處理器的溫度測量裝置

程銘

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.049

摘 要：提出一種以STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3內核）為處理器的測溫系統。利用熱電阻傳感器測得溫度值，并經轉換電路進行小信號放大，最后在微處理器作用下進行數據采集與處理。經初步在非極端環境下的測試，該系統具有低成本、低功耗、高精度等特點。

關鍵詞：溫度測量 傳感器 嵌入式軟件 小信號放大

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（a）-0049-03

Temperature Measurement Device Based on ARM Processor

Cheng Ming

（College of Metrology and Measurement Engineering， China Jiliang University， Hangzhou Zhejiang， 310018， China）

Abstract： A temperature measurement system based on STM32F103C8T6 （ARM Cortex-M3 core） was proposed. Using the thermal resistance sensor to measure the temperature value， and by the conversion circuit for small signal amplification， and finally under the action of the microprocessor data acquisition and processing. The system has the characteristics of low cost， low power consumption and high precision， which is tested in the non-extreme environment.

Key Words： Temperature measurement； Sensor； Embedded software； Amplification for small signal

溫度的測量在人類生產與發展中非常重要。對于工業來說，在生產過程中如果不能對溫度有精準的監測，將可能使生產活動失效，甚至導致嚴重的事故。該文提出一種基于ARM架構MCU來處理溫度傳感器測得數據并顯示的裝置。

1 基于熱電阻的溫度傳感器

利用具有特殊性質的金屬導體（其電阻值的大小和溫度有關）對將溫度的變化轉換為該導體電阻的變化。

若利用該原理進行溫度測量，熱電阻導體需符合以下特點。

（1）電阻率不低于一定數值且溫漂小，以獲得較高的靈敏度和精度。

（2）輸出特性好，即導體阻值隨環境溫度的變化盡量符合線性關系。

（3）在有效工作范圍內，具有穩定、良好的物理化學性能。

（4）良好的加工工藝性，以便于批量生產，降低成本。

該文選取PT1000鉑熱電阻，其性質為：以鉑為材料，在0 ℃的情況下阻值為1 000 Ω。按IEC標準[1]，鉑電阻的線性工作區為-200℃～850 ℃之間，其電阻阻值隨環境溫度變化的規律可近似描述為下式子：

在-200 ℃～0 ℃范圍內

Rt=R0[1+AT+BT2+C（T-100）T3] （1）

在0 ℃～850 ℃范圍內

（2）

式中R0、Rt分別為0 ℃和t（℃）時的電阻值。

對于常用的工業鉑電阻，A=3.908 02×10-3 ℃-1，B=-5.802×10-7 ℃-2，C=-4.273 50×10-12 ℃-4。

2 轉換電路的設計

2.1 熱電阻的安裝及電源方案

該文采用四線制接法，即分別將兩根導線連接至熱電阻導體的兩端。一端與恒流源A1并聯，另一端接入次級的放大電路。該方法在原理上消除了非線性，并忽略了電阻本身標稱值誤差的影響，使測量精度有了大幅度提升。

由圖1的引線方法，即：

UO=Rt×Ia （3）

式中，UO為電阻率；Rt為熱電阻的阻值（溫度為t時）；Ia為恒流源的電流值。

2.2 基于AD620的儀表放大電路

PT1000熱電阻的阻值偏大，若電流源過大熱電阻將因大功率而產生發熱，進而對溫度的測量產生嚴重影響，應使恒流源輸出為微小電流，因此，需要專用的放大電路對其輸出的小信號放大，提高其靈敏度。

AD620[2]芯片是一款廣泛用于當今工業環境的通用儀表放大器，見表2，其具有高共模抑制比、輸入失調電壓及噪聲低、高轉換速率等特點。芯片基于三運放差分比例放大電路，其優點在于設置放大器的增益由一個電阻即可完成，電路原件緊密匹配和統調，從而賦予了該芯片優異的電氣性能，這些都要歸功于其單片結構形式和激光晶片修整技術[3]。

輸入端的兩個三極管Q1和Q2提供一個差分對雙極性輸入，輸入器件Q1和Q2各自的集電極電流通過Q1-A1-R1和Q2-A2-R2兩環路反饋來獲得穩定值，外部電阻RG來分擔輸入電壓，此時差分放大倍數為：

+1 （4）

式中，R1+R2=49.4 kΩ。

3 基于ARM處理器的數據處理

3.1 ARM處理器的選型

對于該文所設計的溫度測量裝置，其要求較高的精度和低功耗、低成本等要求，因此，選用ST公司的STM32F103RC。該芯片采用ARM Cortex-M3架構，經分頻后最高工作頻率可達72 MHz，其同時兼有USB、ADC、CAN等并且帶有512 kB的RAM。endprint

3.2 數據采集與程序結構設計

為考慮節省成本、開發方便、盡量減少外圍電路以降低功耗等因素，可直接利用STM32F103內部集成的12位A/D模數轉換器實現數據采集，軟件結構采用模塊化設計，主要包括A/D轉換、數據處理、LCD顯示，見表3。

3.3 數據處理方法

將A/D采樣得到的數據進行簡單的均值濾波，即每次輸出都為前10次采樣的平均值，即可剔除大部分擾動。最后還需將數值轉換為溫度，可知環境溫度與A/D模數轉換器的采樣值之間的關系近似一個一次方程，即：

T=kXAD+b （5）

式中 T為當前溫度；XAD為A/D的采樣值；k、b為經實驗測得的常數。

由上式計算得到較為精確的當前溫度值后，將其送入LCD屏幕的驅動模塊中，即可將數據顯示在與MCU進行串行通訊的顯示屏上。

4 實驗結果與分析

該文實驗在FB716-I型物理設計性（熱學）實驗裝置[5]下實現，對實驗裝置設定溫度t=10 ℃～50 ℃，按溫度等間隔變化進行測量。該文僅抽取t=30 ℃時，5次連續測量的數據如表1所示。

在等精度測量列中各個測量值在測量列的算數平均值附近有一定分散，這一般是因隨機誤差而導致的，必須用一個數值來描述這個分散程度，用以評定其不可靠性。

由貝塞爾（Basel）[6]公式（6），可求得實驗裝置設定溫度t=30℃時測量的標準差的估計。

（6）

式中，vi為單次測量的殘差；n為測量次數。

計算得出，對于該實驗S=0.054 1，符合所需精度要求。

5 結語

該文在熱電阻傳感器的基礎上，提出了一種基于ARM內核微處理器和均值濾波算法的實時溫度測量系統，并進行了初步的誤差分析，對環境中其他干擾造成的示值不穩定具有一定的魯棒性，是一種有效的溫度測量裝置。

參考文獻

[1] 王本軼.熱敏元件及其正確使用[J].浙江工貿職業技術學院學報，2013（1）：55-59.

[2] 紀宗南.儀表放大器及其應用（六）低功耗儀表放大器的應用[J].國外電子元器件，1998（10）：32-35.

[3] 孔祥陽，徐保根.均值濾波及其改進算法去燥效果研究[J].商丘師范學院學報，2016（6）：21-25.

[4] 羅宏雷，金驥，朱象云.新編大學物理實驗[M].杭州：浙江大學出版社，2013.

[5] 費業泰.誤差理論與數據處理[M].7版.北京：機械工業出版社，2015.endprint