基于嵌入式的高精度溫度傳感系統設計

文/楊淳清 鄧飛

1 系統整體方案

熱電偶是測溫系統中使用最普遍的元件，具有結構簡單，裝配方便等特點，但也存在冷端誤差較高的問題，且很容易由于非線性波動引起較大的測量誤差，為有效解決這一問題，提升熱電偶測溫系統的測量精度，本文基于嵌入式思想設計高精度溫度傳感測量系統，系統的整體設計方案如圖1所示。

2 提升溫度傳感檢測的設計思路

2.1 ARM單片機核心控制設計

意法半導體公司研發STM32F105R8T6 ARM單片機是本系統的核心處理器，采用Cortex-M3內核設計，最高運行主頻可達72MHZ，內部集成了128KB片上Flash存儲器，64KB的SRAM及14個通訊口。選用STM32F105R8T6作為本系統的核心處理器意在有效運用其高精度、高速度的特點，提升對熱電偶測溫電路溫度信號采集、分析、設置和運算的效率，從核心處理運算角度提升整個系統的溫度傳感測量精度。

2.2 溫度信號的高精度采集傳輸設計

ADS1147是TI公司研發的高精度16位多通道ADC轉換器，在本系統中是溫度信號高精度采集傳輸模塊的核心部件，用于采集熱電偶端傳輸的溫度信號，并對信號進行A/D轉換，為提升溫度信號采集傳輸的精度，設計中采用了如下方法：

（1）前置濾波。實際硬件電路設計時，在熱電偶電路與ADS1147之間設置了前置濾波電路，由2個10K的電阻R1、R2和20uf電容C1混聯構成，可有效地降低熱電偶采集溫度時產生的噪聲，以提升溫度測量的精度。

（2）自適應數字傳輸轉換。充分借助ADS1147內部集成的16位高精度ADC模塊，在對熱電偶采集數據進行轉換時，通過外圍電路的設計運用ADS1147內部的可編程增益放大器、自適應數字濾波器等元件，可實現對微弱溫度模擬信號的精確測量和放大，提升測溫的精度。

2.3 溫度信號的高精度傳感補償設計

為降低熱電偶測溫電路冷端測量溫度的誤差，盡可能消除由于冷端測溫誤差和非線性波動導致的測量精度降低問題，本系統選用Sensirion公司最新研發的高精度溫度傳感器STS35作為溫度信號高精度傳感補償模塊。STS35采用增強信號處理方案設計，最高通訊速度達1MHZ，提供了高精度線性和供電壓補償數字輸出，測溫精度高達±0.1℃，具有超高的信噪比和高精度處理性能。應用STS35能夠直接輸出熱電偶冷端溫度，完成對熱電偶冷端的溫度補償，以提升測量的精度。且實際電路設計中，只需要將STS35相關引腳與STM32F105R8T6的I/O引腳連接即可，不需要連接其他外部電路元件，大大降低了電路的復雜性。

3 系統測試結果分析

系統設計完成后，使用C語言編寫簡單的溫度設置及顯示程序即可進行效果測試。測試步驟為：首先，將系統置于恒溫環境中設置好測量范圍。本系統設置-50℃～200℃為溫度測量范圍。其次，設置恒溫環境以50℃為間隔進行上升，但溫度穩定后開始測試，表1為具體的測量結果。

由表1可知，系統在-50℃～200℃范圍內各個溫度測試節點所測量的溫度偏差值均<±0.1℃，說明所設計的嵌入式溫度傳感測試系統有效地補償了傳統熱電偶測溫產生的誤差，具有很高的精度。

表1：系統測試結果統計表

圖1：系統整體設計框圖

4 結語

本文設計了一種基于ARM單片機的嵌入式高精度溫度測量傳感系統，該系統具有電路結構簡單，測溫精度高等優點，能夠有效提升熱電偶測溫電路的測量傳輸精度，具有很好的應用前景。