多路自標校溫度控制系統設計

邱月嬌，韓太林，孫小偉，王加科

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春市軌道交通集團有限公司，長春 130024；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

常溫溫度檢測的計量標準器件為鉑電阻，通過鉑電阻測溫得到的是模擬信號，需要通過數據采集轉換才能得到溫度值。鉑電阻溫度檢測受采集電路影響，通常不易實現多路溫度檢測系統的一致性，溫度標校工作又比較復雜，逐一進行標定工作量非常大。高精度的半導體數字溫度檢測器件可以達到溫度檢測的一致性，但數字溫度傳感器的響應靈敏度低、頻率響應也比較低，本設計同時采用兩種傳感器，利用數字傳感的準確度特性對模擬傳感器采樣值進行自標定，利用模擬傳感器的高靈敏度實現高精度溫度控制，同時實現多路溫度控制系統相對精度的穩定性與一致性。

1 多路溫度控制自標校系統硬件構成

本設計采用STM32F103ZET6轉換端口對Pt100鉑電阻測溫電路輸出模擬溫度進行采樣，獲得0～4095范圍上的溫度采樣值，由ADT7420模塊組成數字溫度傳感器通過I2C總線與STM32F103ZET6單片機連接，獲得絕對溫度值并由自標校控制算法程序計算輸出PWM模塊脈沖信號，完成控制系統的總體硬件工作，系統總體硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 多路溫度控制自標校系統硬件構成框圖

1.1 STM32F103ZET6主控單片機

STM32F103ZET6屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3，基本參數如下：

（1）最高72MHz工作頻率。

（2）512K字節的閃存程序存儲器，2個12位模數轉換器，1μs轉換時間。

（3）串行單線調試（SWD）和JTAG接口，多達8個定時器，3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和增量編碼器輸入，1個16位帶死區控制和緊急剎車，2個看門狗定時器，多達9個通信接口，2個I2C接口（支持SMBus/PMBus）。

STM32F103ZET6開發硬件實物圖如圖2所示。

圖2 單片機整體設計PPD板子

1.2 PT100傳感器溫度采樣電路

采用XTR105芯片作為Pt100的測量變換芯片將溫度內Pt100變化值轉換為4mA～20mA電流輸出采用RCV420作放大轉換芯片將4mA～20mA電流轉換為0～3V電壓輸出。XTR105的電路設計圖如圖3所示。

圖3 Pt100電路設計

為了提高本溫度測量系統的測量精度，電流環接收器采用RCV420芯片設計。RCV420是美國RURR－BROWN公司生產的精密電流環接收器芯片，用于將4mA-20mA輸入信號轉換成為0V-5V輸出信號，具有很高的性能價格比。它包含一個高級運算放大器、一個片內精密電阻網絡和一個精密10V電壓基準。其總轉換精度為0.1%，共模抑制比CMR達86dB，共模輸入范圍達±40V。

圖4 4～20mA電流環接收器電路圖

4mA～20mA電流環接收器電路原理圖如圖4所示，正負電源腳各接一個1μF的退耦電容，并盡可能地靠近放大器。

1.3 ADT7420溫度芯片的I2C電路設計

ADT7420是ADI（亞德諾半導體技術有限公司）生產的一款封裝高精度數字溫度傳感器，其工作特性如下：

（1）測量原理：它內置一個帶隙溫度基準源、一個溫度傳感器和一個16位ADC，用來監控溫度并進行數字轉換。

（2）分辨率：默認ADC分辨率設置為13位（0.0625℃）。ADC分辨率為用戶可編程模式，可通過串行接口更改。

（3）工作電壓：ADT7420的保證工作電壓范圍為2.7V至5.5V；工作電壓為3.3V時，平均電源電流的典型值為210μA。ADT7420具有關斷模式，可關斷器件，3.3V時的關斷電流典型值為2.0μA。

（4）數據傳輸形式：I2C模式，可為ADT7420提供四個I2C地址。CT引腳屬于開漏輸出，當溫度超過臨界溫度限值（可編程）時，該引腳變為有效。INT引腳也屬于開漏輸出，當溫度超過限值（可編程）時，該引腳變為有效。INT引腳和CT引腳可在比較器模式和中斷事件模式下工作。

（5）工作性能：溫度精度±0.20°C（-10℃至+85℃，3.0V至3.3V）±0.25℃（-20℃至+105℃，3.0V至3.6V）16位溫度分辨率：0.0078℃。

圖5 典型I2C接口連接

ADT7420的控制經由I2C兼容串行接口實現。ADT7420作為從器件連接至此總線，受主器件控制。與大多數I2C兼容器件一樣，ADT7420也具有7位串行地址。此地址的5個MSB從內部硬連線至10010。引腳A1和引腳A0設置2個LSB。這些引腳可以配置成低和高兩種電平，以提供4種不同的地址選項。

2 自標校軟件及算法設計

2.1 自標校軟件設計

采用數字PID控制原理I2C控制PWM輸出開發軟件為Keil。Keil是德國知名軟件公司Keil（現已并入ARM公司）開發的微控制器軟件開發平臺，是目前ARM內核單片機開發的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些功能組合在一起。uVision當前最高版本是uVision3，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。

軟件控制流程如圖6所示。

圖6 軟件控制流程圖

主程序設計：

2.2 自標校動態檢測算法設計

控制系統是以Pt100傳感器作為基準控制器以ADT7420I2C數據作為校準量，采樣時鐘為Pt10012位ADC采樣周期為100ms。ADT7420采樣周期為1.6s自標校算法如下：

圖7 自標校流程圖

自標校算法如下：

3 實驗結果

多路自標校溫度控制系統設計完成后應用于大靶面紅外靶標耙元溫度控制中，通過上位機采集到主控溫度數據，應用自標校算法程序計算出溫度采集值，綜合表1結果認為本設計可以通過自標校算法實現電路溫度控制函數的絕對控制。

圖8 數據采集

對四路數據進行采樣并記錄，數據如表1所示。

表1 控制結果分析

通過自標校控制前后靶板紅外成像儀拍攝的圖像對比如圖9所示。

圖9 溫控前后對比圖

4 結論

本溫度測量系統設計，以Pt100，ADT7420為模擬與數字傳感器，以STM32F103ZET6單片機為主控制CPU，設計了針對Pt100溫度采樣電路，并實現了ADT7420的I2C讀取電路，利用STM32F103ZET6芯片實現了基于數字PID下的脈寬調制自標校溫度控制，并通過串口通信電路完成了溫度控制系統實驗，從實驗數據分析得到了預期的效果。

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