基于STM8S的溫度測量儀的設(shè)計

趙曉菲，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 200135)

基于STM8S的溫度測量儀的設(shè)計

趙曉菲，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 200135)

基于STM8S的溫度測量儀的設(shè)計是以STM8S為控制核心，對溫度測量進行研究，外圍模塊主要包括溫度測量模塊、顯示模塊、電源模塊、鍵盤模塊，具有測量結(jié)果顯示、測量模式切換和過溫欠溫報警等功能。它本身的高精度、高靈敏度、寬量程、低功耗、小體積決定了使用方便的屬性，適合于人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量，STM8S與溫度測量傳感器的結(jié)合，可以作為一個系統(tǒng)，便于使用，有廣泛的應(yīng)用前景。

單片機；溫度測量；STM8S溫度傳感器

Abstract: Temperature measuring instrument is designed based on STM8S, to control the core temperature measurement studies. The peripheral modules include temperature measurement module, display module, power module, and keyboard module. It is very convenient to use, with high accuracy, wide range, high sensitivity, small size, and low power consumption, suitable for our daily life and work. Combining agricultural production temperature measurement, STM8S and temperature measurement sensors can be used as a system, easy to use. It has a wide range of applications.

Key words:MCU; temperature measurement; STM8S temperature sensor

0 引言

在工業(yè)設(shè)備的制造過程中以及整機的性能測試中常會進行溫度的測量，有時還需要對正在運行的工業(yè)設(shè)備進行溫度的檢測和控制，在人們?nèi)粘Ｉ詈涂茖W研究等方面遇到各類格式的物理量是很正常的，例如化學量、生物學量(包括醫(yī)學方面)，從信號角度看，這些物理量都是經(jīng)過溫度傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(近代還可轉(zhuǎn)換成光信號)，然后再進行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制等過程。國內(nèi)外溫度檢測技術(shù)隨著工業(yè)效率的不斷提高以及自動化水平迅速發(fā)展和范圍的不斷擴大[1]，自身的要求也不斷提高和嚴苛，一般歸納為以下幾方面：

(1)擴展檢測范圍。監(jiān)控當前的行業(yè)范圍的溫度可以達到200～30 000℃，未來的發(fā)展趨勢是需要超高溫和超低溫檢測，在其中對液化氣體的極低溫度檢測是極為迫切的。

(2)對測溫對象的范圍進行擴大。溫度檢測技術(shù)要針對這些功能，能夠?qū)崿F(xiàn)點測溫發(fā)展到實現(xiàn)線甚至面乃至整個立體的測量。它的應(yīng)用范圍從工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域擴展至家用電器、航空航天、環(huán)境保護、汽車工業(yè)等諸多領(lǐng)域。

(3)發(fā)展新型產(chǎn)品。利用已有的檢測技術(shù)生產(chǎn)出能夠滿足客戶需求的適用于不同場合、不同工況要求的新型產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品，與此同時利用新的檢測技術(shù)繁衍出新生代產(chǎn)品。

(4)適應(yīng)特殊環(huán)境的測溫。在防爆、防硫、耐磨等特殊場合，溫度測試器對這這些場合的應(yīng)用都有著特殊的要求；另外還有諸如對火焰溫度檢測、高速旋轉(zhuǎn)物體、移動物體的測溫、鋼水的連續(xù)測溫等。

(5)數(shù)字化顯示。隨著技術(shù)的發(fā)展，溫度檢測儀器都向著數(shù)字顯示直觀方向發(fā)展，有著更高精度、更高分辨率等眾多特點，所以其有著廣泛的使用。

(6)自動化標定。 利用計算機技術(shù)進行快速、準確、自動的溫度傳感器的標定。

依據(jù)上述這些要求，國內(nèi)的電子研究都將朝著以下幾個方面發(fā)展：

(1)對這些熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等需求量大的傳統(tǒng)式的傳感器器件保持繼續(xù)生產(chǎn)[2]。

(2)對那些原理比較新的、材料比較新的、工藝比較新的投資研發(fā)力度要加強。。

(3)新興的產(chǎn)品應(yīng)該能夠依靠微機系統(tǒng)的技術(shù)，使其能夠具備有一定的判斷及控制能力，更加智能化、人性化。

溫度檢測技術(shù)隨著國內(nèi)外工業(yè)的不斷向前發(fā)展也取得了很大的進步，大致分為以下幾種方法：物體熱脹冷縮、熱電效應(yīng)、熱阻效應(yīng)以及熱輻射原理[3]。

目前溫度傳感器系列產(chǎn)品主要囊括以下幾類[4]：DS18B20數(shù)字溫度傳感器、PT100/PT1000鉑電阻溫度傳感器、LM35集成溫度傳感器和AD590/AD592集成溫度傳感器以及NTC熱敏電阻溫度傳感器等。此次設(shè)計就是在這些傳感器的基礎(chǔ)上進行整合，選取最適合環(huán)境的測量方法，從而提高測量系統(tǒng)的精度和準確度。

1 總體設(shè)計及原理

基于STM8S的溫度測量儀以STM8S為核心控制器件，外圍采用溫度測量模塊、鍵盤模塊、溫度顯示模塊、LED燈報警。本設(shè)計綜合多種溫度檢測電路，包括數(shù)字溫度傳感器、熱敏電阻和鉑電阻等實現(xiàn)高溫和低溫的測量[5]，具有測量結(jié)果顯示、測量模式切換和過溫欠溫報警等功能。其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 溫度測量儀系統(tǒng)構(gòu)成

2 基本工作過程

單種的溫度測量儀不可能適用于任何環(huán)境，本設(shè)計想要將目前五種溫度測量儀產(chǎn)品分成五個模塊，與單片機連接，通過接口控制模式的選擇，從而選取在環(huán)境中較為精確、較為適宜的測量方法。通過A/D轉(zhuǎn)換，利用數(shù)碼管顯示，進行溫度監(jiān)測，被測溫度和系統(tǒng)模式均可數(shù)字顯示,當溫度超出設(shè)定范圍時通過聲、光報警。本設(shè)計采用32引腳封裝，提供多達9個I/O口,分別以PA、PB、……、PI命名，可通過編程方式將引腳電路結(jié)構(gòu)完全相同的每一個I/O口、同一個I/O口內(nèi)的任意一個I/O口進行為：浮空輸入方式(復位后的缺省狀態(tài))、弱上拉輸入方式(特別適合作為矩陣鍵盤的輸入引腳)。上拉電阻在30～60 kΩ之間，典型值為45 kΩ。

3 溫度測量模塊電路設(shè)計

AD590恒流輸出，電流為1 μA/K。在電路設(shè)計中使用1 kΩ電阻與其相串連，此電阻兩端的電壓為0.001 V/K。在零攝氏度時電阻兩端的電壓為0.273 V，進行跟隨，再經(jīng)過差分放大電路把電壓放大10倍，然后進行A/D轉(zhuǎn)換，讀出被測溫度。因為AD590的工作電壓使用的是5 V，而LM324也是如此，同時還要將輸出電壓控制在3.3 V內(nèi)，所以具體的做法是在對電阻的電壓進行跟隨后與0.273 V相減然后再放大10倍。這樣輸出電壓最大也不會超過3.3 V,之后溫度每改變1℃電阻電壓就改變0.01 V。之后用STM8S進行A/D轉(zhuǎn)換，該電路是將兩個輸入信號的差值作為電路有效輸入信號，輸出信號是對這兩個輸入信號之差進行放大。假設(shè)這樣一種情況，即使存在干擾信號，也會對兩個輸入信號產(chǎn)生相同的干擾，但因為是差值，所以干擾信號的有效輸入值為0，從而達到了抗共模干擾的目的，溫度范圍為0～100℃。設(shè)計電路中采用LM35溫度測量的典型電路，再對電壓進行跟隨，從而使得輸出電壓控制在3.3 V范圍內(nèi)，再進行A/D轉(zhuǎn)換，從而顯示測量溫度，能達到的溫度測量范圍為-55℃～+150℃。DS18B20有兩種封裝形式，即：8腳SOIC封裝形式和3腳PR-35封裝形式，本設(shè)計中采用后者。寄生電源供電和電源供電是DS18B20的兩種供電方式，對于電源供電方式而言，接地為1引腳，信號通信線2引腳，電源3引腳。可以用一個MOSFET管對總線進行上拉，從而可以使得DS18B20在時鐘周期內(nèi)能夠有充足的電流，更加確保其功能的實現(xiàn)。當在特殊時段，即DS18B20在溫度轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)時，必須有最長10 μs的強大電壓的上拉開啟時間，以完成溫度的A/D轉(zhuǎn)換操作。而VDD和GND引腳端都接地時即是寄生電源供電方式的具體表現(xiàn)。正是由于一線制的單線操作的緣由，對發(fā)送口的要求即是其一定要為三態(tài)的。由于PT100有著眾多的優(yōu)勢，其測量范圍很大，在-200～+650℃之間，而且誤差極小，穩(wěn)定耐壓等。所以使得PT100廣受電子愛好者的使用。具體的技術(shù)參數(shù)。

(1) 測溫適合范圍：-200℃～+650℃。

(2)測溫精度：0.1℃。

(3)穩(wěn)定度：0.1℃本身就是電阻式的傳感器，PT100其工作的基本原理就是測量其本身的電阻值而得到溫度的測量，通過充放電過程來測量被測電阻，再經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后再對其做A/D轉(zhuǎn)換，最后將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳給CPU做出相應(yīng)的溫度值計算。設(shè)計選用的是專門用于非接觸式測量體溫的PM611，該傳感器是一個單一的敏感元件，因為它使用一個補償元件接收元件和兩個平行的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以它可以有效地補償環(huán)境溫度波動、振動干擾。它的工作溫度是-20℃～+100℃，十分合適在人體溫度方面的測量。

其原理圖分別如圖2～5所示。

圖3 LM35原理圖

圖4 DS18B20原理圖

外圍模塊主要包括：鍵盤、顯示以及電源模塊。

4 軟件設(shè)計

STM8S對溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，通過顯示模塊進行顯示。

(1)主程序設(shè)計

STM8S對溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，通過顯示模塊進行顯示，具體流程如圖6所示。

圖5 PT100原理圖

(2)各測量模塊程序設(shè)計

DS18B20因為不需要AD轉(zhuǎn)換，即可將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，故流程圖如圖7所示。

LM35和AD590溫度測量均通過STM8S的AD轉(zhuǎn)換口對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，通過跳線將二者區(qū)別開來，具體流程圖如圖8所示。

Pt100溫度測量是通過對電容進行充放電，利用充放電時間與電阻阻值成正比，從而測出溫度，具體流程圖如圖9所示。

鍵盤對五種模式進行選擇，顯示模塊通過動態(tài)掃描顯示被測溫度。

圖6 主程序流程圖

圖7 DS18B20流程圖

圖8 LM35和AD590流程圖

圖9 PT100流程圖

系統(tǒng)源程序采用Keil μ Vision 4版本軟件仿真器進行整體和分步的調(diào)試。首先，畫出整體的程序流程圖，然后根據(jù)流程圖和系統(tǒng)的硬件連接寫出詳細的C語言程序，在調(diào)試時先進行模塊測試，減少錯誤幾率再進行集成測試，最后進行系統(tǒng)測試，直到調(diào)試成功為止。

5 結(jié)論

基于STM8S的溫度測量儀設(shè)計采用LM35、AD590、PT100、DS18B20以及PM611紅外測溫作為溫度測量模塊，能夠選擇某種環(huán)境下最適宜的測量方式，是一種新型溫度測量系統(tǒng)。

系統(tǒng)以STM8S為控制核心，依靠其功能強大、使用方便等特點，使總體性能更高，其表現(xiàn)的技術(shù)特點如下：

(1)系統(tǒng)采用五種溫度傳感器作為溫度測量模塊，功能強大，便于使用，切合實際。

(2)通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)上下限過溫報警，有效地進行控溫。

(3)系統(tǒng)通過鍵盤來選擇溫度測量模塊，在特定環(huán)境下測量更加精準。

(4)系統(tǒng)最大特點是便于使用，綜合多種測量方式，可作為系統(tǒng)使用。

[1] 谷艷豐.多功能智能化溫度測量儀的研究與開發(fā)[D].沈陽：東北大學,2003.

[2] 干進杰,李學武.溫度傳感器的選型技巧[J].科技創(chuàng)新導報,2008(32):22.

[3] 王超.基于ARM9與AD590的溫度檢測系統(tǒng)的研制[D].杭州：浙江工業(yè)大學,2011.

[4] 尋艷芳.溫度傳感器[J] .消費電子,2014(2):100.

[5] 王晶晶,李芳培,李安順.低溫推進劑火箭超低溫溫度測量技術(shù)[J].重慶理工大學學報(自然科學版),2012,26(10):42-45,61.

STM8S based temperature measuring instrument design

Zhao Xiaofei, Zeng Liansun

(School of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)

TB942

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.010

趙曉菲，曾連蓀.基于STM8S的溫度測量儀的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(18)：32-35.

2017-03-17)

趙曉菲(1993-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：港口無線通信與計算機測控。E-mail：1376850141@qq.com。

曾連蓀(1962-)，男，教授，研究生導師，主要研究方向：定位導航系統(tǒng)、無線測控系統(tǒng)。