多通道溫度采集系統設計

饒文軍，谷玉海，石 巖

（1.北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192；2.山東力士德機械有限公司，山東臨沂 276700）

0 引言

在制造業以及日常生活當中常常需要控制環境溫度或者加熱溫度的大小，溫度常常會成為一個至關重要的因素。針對于齒輪集裝箱，溫度對于齒輪的壽命有著重要影響，溫度過高會加劇齒輪的磨損，潤滑油溫度過高會降低潤滑效果，潤滑液中存在雜質的濃度會影響溫度變化，濃度越高，升溫越快、溫度越高，而測量的溫度在一定程度上反應了潤滑油雜質的濃度，可以由此預測潤滑油的更換。因此，測量溫度就顯得尤為重要，準確、實時的溫度數據是溫度控制、預測的前提，如何快速、準確、實時的獲取溫度數值是溫度采集重要問題。介紹一種針對于齒輪集裝箱的多通道溫度采集系統，系統中采用了熱電阻以及差分放大器作為溫度采集電路，提高了溫度采集精度；使用以太網模塊將數據發送至物聯網，為溫度遠程控制提供數據基礎。

1 采集系統構成

多通道溫度采集系統是以STM32373VC為核心來實現對多通道溫度數據的采集、轉換、傳輸功能，系統擁有16個溫度采集點，可提高溫度采集的精度以及擴大溫度采集的區域范圍；系統還采用了W5500以太網模塊，能將采集的溫度數據實時傳輸至物聯網上，實現遠程監測功能；圖1為多通道溫度采集系統結構框圖，STM32373是系統核心，包括溫度檢測電路、溫度信號放大電路、外部以太網模塊連接電路、外部時鐘電路以及電源模塊設計電路。ADC是Analog-to-Digital-Converter的縮寫，指的是模塊轉換器。

圖1 多通道溫度采集系統結構

2 主要硬件選擇

處理器采用STM32373VC單片機，它含有16個ADC通道，滿足多路數據采集要求，并且擁有UART，SPI等豐富的外設接口；溫度傳感器采用PT1000，該溫度傳感器測量精度高，測量范圍大并且穩定性好；外設以太網模塊選擇W5500，W5500內部集成全硬件TCP/IP協議棧+MAC+PHY，速度快、可靠性強且安全性能好。

3 主要電路設計

3.1 電源模塊設計

該溫度采集系統外接5 V直流電壓，電路需要3.3 V直流電壓，系統采用REG1117-3.3穩壓器將5 V電壓轉換為3.3 V直流電壓，電路如圖2所示，輸入電源采用MOS（metal-oxidesemiconductor，金屬-氧化物-半導體）管設計防反接電路，當電源正接時MOS管輸出+5 V電壓，當電源反接時其輸出電壓為零。電路如圖3所示。

圖2 電源模塊設計電路

3.2 溫度采集模塊設計

溫度信號采集采用PT1000鉑熱電阻傳感器，該傳感器具有精度高、穩定性好的優點，適用于遠距離布線的場合；將采集信號差分放大后傳入STM32373CV單片機的ADC接口，在該多通道溫度采集系統設計中，考慮到在進行溫度采集點布線時要長距離布線，且各采集點布線長度存在較大差距，由線路而產生的壓降各不相同，采用電壓源進行溫度測量容易造成較大誤差；因此使用LM334為溫度采集電阻提供1 mA恒流源。溫度采集模塊電路連接如圖4所示，為了保證溫度采集的精度，采用恒流源進行溫度采集，采集電阻兩端電位為差分放大電路的輸入信號，差分放大電路為二級運算放大電路，第一級運算放大電路將采集信號放大1.25倍，第二級運算放大電路將第一級運算放大電路的放大信號放大4倍；所以，該差分放大電路的輸出值為采集電阻兩端電位差的5倍，差分電路最后對放大信號進行濾波處理，濾波頻率為16 Hz；ADC_PC0為單片機其中一個ADC接口；由電壓算的電阻，通過電阻與溫度的比例關系算得溫度值。

圖3 電源防反接電路

3.3 外部時鐘設計電路

STM32單片機有內部時鐘源以及外部時鐘源，溫度采集系統采用外部時鐘源給溫度采用提供必要的時間信息，W5500采用25 MHz晶振體為芯片提供時間信息；STM32373CV采用32.373 Hz的晶體為單片機提供時鐘信號，每個晶振電路都有2個電容和晶振Y配合使用，可以提高晶振頻率輸出的穩定性。

3.4 以太網模塊設計

為了將溫度采集數據發送至物聯網，系統選用以太網模塊W5500，以太網模塊與單片機STM32373CV的連接電路如圖5所示，芯片采用SPI通信模式，圖中SPI1_SCLK等網絡號表示單片機的SPI1通信接口，電源接口接3.3 V直流電壓。

4 軟件設計

該溫度采集系統的軟件系統設計主要包括2個部分，分別為ADC數據采集和無線串口數據發送；ADC數據采集程序框圖如圖6所示，在采集系統配置中，主要工作是要進行ADC的初始化配置、GPIO端口初始化的配置、DMA（Direct-Memory-Access，直接存儲訪問）的配置、ADC模式選擇配置、ADC轉換時間的配置；在ADC模式配置當中要開啟多通道輪流掃描轉換模式、開啟連續轉換模式、設置ADC轉換觸發信號為內部觸發以及設置相應的數據對齊格式，可為左對齊或右對齊；在ADC轉換時間配置當中，注意ADC時鐘頻率最高不得超過14 MHz；該程序是在DMA模式下進行的數據采集，全過程均沒有使用中斷，ADC及DMA配置結束后，ADC通道就能不停的采集數據，DMA則可以自動地將采集的數存儲到內存SRAM（Static-Random-Access-Memory靜態隨機存儲器）中。

圖4 溫度采集模塊連接電路

圖5 以太網模塊W5500部分電路連接

以太網網絡程序控制編程使用TCP協議，TCP網絡應用服務器流程一般分為創建連接、綁定IP和端口、監聽連接、通知接到連接請求、接收數據報以及回調函數響應。基于TCP協議網絡的服務流程可建立STM32單片機以太網通信如圖7所示。當創建好連接以及綁定IP端口后，服務器就開始監聽連接，通過瀏覽器或者客服端可以向服務器發出連接請求，服務器響應連接，并接收數據組報，然后通過回調函數響應相關請求；通過瀏覽器向服務發送索要數據請求后，服務器通過回函數響應，向瀏覽器發送數據。

圖6 ADC數據采集程序框圖

5 結語

該多通道溫度采集系統擁有16個溫度采集通道，測量范圍廣，采用恒流源作為溫度采集電源，擁有較高精度；外部配備以太網模塊，可將信號發送至物聯網上，通過瀏覽器可查看相關溫度信息，實現遠程監測，可廣泛使用于各行各業的溫度采集需要。

圖7 以太網通信流程

[1]賈利娜，李云紅，姚韻.基于STM32的無線溫度采集系統設計[J].電腦知識與技術，2016，12（11）：209-211.

[2]賈云峰，付成偉.一種無線傳輸的溫度采集系統的設計[J].現代電子技術，2015，38（24）：136-138.

[3]付藝豪，許建明，李忠.基于DS18B20的數字溫度計設計[J].技術交流，2016（4）：187-188.

[4]顏麗娜.基于 DS18B20 測溫系統的設計[J].機械與電子，2010（11）：496-497.

[5]楊丹丹，楊風，馬慧卿.基于單片機的溫度采集系統設計[J].山西電子技術，2014（3）：19-21.

[6]白建民.基于STM32F103T6的溫度控制系統設計[J].價值工程，2013（28）：240-241.

[7]陳鋒.基于nRF24L01的無線溫度監測系統[J].工業控制計算機，2010，23（12）：71-72.

[8]計軼軒，金明生.基于移動物聯網的遠程移動監控系統研究[J].機電工程，2015（5）：727-728.

[9]羅健，李宇鵬，彭大芹.移動物聯網通信終端低功耗協議優化探討[J].電信網技術，2014（4）：60-61.

[10]聶曉立，高小龍.基于CC2530的無線溫度采集系統設計[J].電腦知識與技術，2015（8）：215-216.

[11]崔京偉，黃灝.基于ARM和Zig Bee的無線溫度采集系統設計[J].電子科技，2013（4）：12-13.