高精度溫度芯片Si7051在熱電偶補償中的應(yīng)用

王昌世

摘要：熱電偶（Tc）測溫是溫控儀必備的功能。Tc測溫需進(jìn)行冷端溫度補償，補償?shù)木葲Q定著TC的測溫精度。本文要介紹的就是用Si7051所測量的TC冷端溫度，來對TC進(jìn)行溫度補償，使TC的測溫精度能達(dá)到或接近0.1度℃。重點是講述用STM32F103CBT6單片機(jī)從I²c總線讀取Si7O51芯片中的溫度編碼值，即編程。涉及TC補償原理、Si7O51與STM32單片機(jī)的I²C接口電路與和程序流程。

關(guān)鍵詞：高精度熱電偶補償;Si7O51;STM32F103;I²C總線;程序流程

Si7051是一款較新的、性價比較高的器件，雖批量價僅為10元/片，可經(jīng)試用，其對TC補償?shù)淖饔脜s很大，很有效。但目前，在國內(nèi)未見相關(guān)應(yīng)用介紹（經(jīng)網(wǎng)上檢索）。想必，此文的創(chuàng)新應(yīng)用，會助力國內(nèi)TC測溫技術(shù)的進(jìn)步。

1補償原理

把TC的兩端分為冷端（接入線路的那一端）和熱端（測溫對象所在端）。令TC冷端溫度為Ct，TC的輸出溫為乃，則TC的熱端溫度（即測量溫度）Mt=Ct+Tt。補償?shù)年P(guān)鍵在于冷端和Si7051感溫盡可能做到同溫。假如不完全相同，則應(yīng)注意這個溫差校正。

此前，我們用LM75A溫度芯片測量ct。但由于它的精度較低（在20℃～+100℃全量程范圍，最大誤差達(dá)2℃，分辨率為0.5℃（即，其小數(shù)位只能是O或0.5）），使得Mt值不僅包含同樣的誤差，而且時常有0.5℃的跳變。這使得溫控儀達(dá)到0.1℃的控溫精度變得不可能。

2Si7051介紹

此芯片由美國Silicon Labs（即芯科科技）公司生產(chǎn)，已先后發(fā)布8個版本，最新的1.15版，在2018-09發(fā)布。

2.1主要性能特征

1）高精度。測溫精度分3段：

±0.1℃;+35.8℃～41℃（人體溫度范圍）;

±0.13℃;20.0℃～70.0℃（準(zhǔn)環(huán)境溫度范圍）：

±0.25℃：-40℃～+125℃（全量程）。

第2段是溫控儀（TC冷端）所在環(huán)境最常見的溫度范圍。

2）體積小，引腳少;

3mm×3mm×0.8m m，DFN（DuaI fIat No-lead，即雙平面，無引線）封裝。6個引腳，見圖1。它的小的體積使其在用做溫度補償用時，易于在電路板（即PCB）上和TC的冷端一起放置;而在做人體（或其他對象）溫度計時，整體的體積可以很小。

3）接口電路的外圍元件少，接口簡單;

僅有1個去偶電容和2個上拉電阻。雖有6個引腳，但對外連線只有4根。DNC引腳可懸空或連到VDD腳。見電路圖2。

4）背面有感溫金屬平面;

大小為1.5mm×2.4mm，見圖3。這個面能使它很好地感受TC冷端的溫度，達(dá)到與之同溫的目的。

3電路設(shè)計

單片機(jī)選用STM32F103CBT6，它自帶有I²C總線，這使得相關(guān)接口（包括編程）相對簡單。見圖2。原理圖雖不復(fù)雜，但作為TC補償元件，要做到它和TC冷端準(zhǔn)確同溫，卻并非易事，我們也是經(jīng)過多次改進(jìn)，才達(dá)到的。具體做法是：①單獨做一塊小的PCB板（雙面，11mmx7mm，見圖3），通過插針與主板相連。在小板上，Si7051背面的感溫面下要開孔，使感溫面能和冷端相對、相通。孔的大小稍小于感溫面。注意看圖3。②此小板和和TC冷端并立在一起放置，并且要遠(yuǎn)離板上的其他熱，見圖4。圖中，3線（棕、紅和黑3色）插頭是TC的冷端線，左邊立著的就是Si7051小板。③小板和TC冷端附近約30mmx7mm的PCB板區(qū)域內(nèi)不敷銅，以免多傳熱。

4編程

編程本文的要點。

4.1理解圖4的時序

文獻(xiàn)[2]給出了讀取Si7051芯片的溫度編碼的I²時序圖（經(jīng)英譯中）。

此時序圖從左到右，分成了19個段（數(shù)字所示）。此圖所涉及的相關(guān)技術(shù)術(shù)語參見文獻(xiàn)[3-7]。幾點說明如下：

1）圖中的“主”是指主設(shè)備：從是指從設(shè)備（下同）。

2）第2段是“從地址”，指的是Si7051的從地址0x40;

3）第3段是“主將要寫操作”，指的是，在12C總線上，出現(xiàn)Si7051的從地址0x40后，主設(shè)備是要發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)（第5段的Oxf3）。注意這一段是一個位（bit）段且為O值，它附在第2段的0x40后面（100000B+0B=10000000B）形成最終的0x80寫地址字節(jié)（與0x81的讀地址（如，第8、9段組合）對應(yīng)。這一點很重要，編程時不要誤寫為0x40。

4）第9段是“主將要讀操作”，指的是.在12C總線上，出現(xiàn)Si7051的從地址0x40后，主設(shè)備是要從設(shè)備里讀取數(shù)據(jù)。這也是一個位段，但值為1，它附在第8段的0x40后面（1000000B+I B=10000001B）形成最終的0x81讀地址字節(jié)。

5）第10段是“非應(yīng)答（即NACK）”。對Si7051來說，這是一個特殊的位信號，它會一直持續(xù)高電平，直到片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。從這個信號發(fā)出算起，Si7051開始一次測溫的A/D轉(zhuǎn)換過程，具體轉(zhuǎn)換時間見參考文獻(xiàn)[2]的第4頁的表2。本程序用12ms延時來處理。程序在12毫秒后，繼續(xù)到第11段。

6）完成這個時序的全部操作后，得到的緊緊是2個字節(jié)（14位，最低2位不用）編碼，而不是溫度的實數(shù)值。實數(shù)溫度（℃）=（175.72×溫度編碼/66636）-46.84（式1）。

4.2流程圖

用IAR7.2.05工具及ST（即意法半導(dǎo)體）公司在2011年發(fā)布的3.5.0的庫函數(shù)（一直未變）。該庫函數(shù)包含了32個12C相關(guān)函數(shù)和諸多變量定義，可選擇使用，本程序用了其中的10個函數(shù)。

圖6是依據(jù)圖5的時序來編制的。有3點須說明：*相關(guān)函數(shù)注解詳見3.2.1。**限于篇幅，只用了一個菱形判斷圖作為示例，其他判斷處未用，但包含的流程相同，即如果不成功，則反復(fù)調(diào)用判斷函數(shù)，直到成功。***延時程序一般是自編的，不調(diào)庫函數(shù)，以便準(zhǔn)確控制延時時間。

4.2.1圖6相關(guān)庫函數(shù)說明

另外，圖中的函數(shù)12C_Configuration（）通常是根據(jù)需要自編的，不是庫函數(shù)。

5結(jié)論

Si7051裝在線路板上，精度高、運行穩(wěn)。下面是一組實測數(shù)據(jù)（表3）：

測試條件說明：①地點：辦公室，對環(huán)境溫度測試;②工具：實驗室開發(fā)的SCTC溫控儀;RKC CH402日本產(chǎn)溫控儀，其上無小數(shù)顯示（對熱電偶）。測試分析：儀器每秒對Si7051和熱電偶同步采樣一次，數(shù)據(jù)記錄間隔是2min。在18min內(nèi)，Si7051測溫僅變化31.53-31.47=0.06（℃），多數(shù)時間，只在小數(shù)點后第2位上有變。表明其精準(zhǔn)、穩(wěn)定。SCTC測溫也僅變化30.53-30.20=0.33（℃）。這里，Si7051的測量的溫度要高于SCTC儀及RKC儀的測量溫度是因為PCB板上的氣溫要高于一般環(huán)境溫度。

以后還將一如既往地關(guān)注、實施溫度測控領(lǐng)域的新元件的應(yīng)用，并把相關(guān)的研發(fā)成果及時在專業(yè)刊物上發(fā)表，為我國自動化儀表的發(fā)展出一分力。