李 杉， 庹先國(guó),2， 張貴宇,2， 陳 林

(1. 四川理工學(xué)院自動(dòng)化與信息工程學(xué)院， 四川 自貢 643000；2. 人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 自貢 643000)

引 言

溫度用于表征物體的冷熱程度[1]，在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中是一個(gè)非常普遍又極為重要的物理參數(shù)，許多領(lǐng)域如電力、化工、石油、熱處理和食品加工等都涉及到對(duì)溫度信息的采集[2-3]。隨著工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025等戰(zhàn)略的推進(jìn)，各大生產(chǎn)企業(yè)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式實(shí)施信息化、智能化改革，并不斷擴(kuò)大自動(dòng)化生產(chǎn)規(guī)模，在該形勢(shì)下使得生產(chǎn)中需要采集的溫度點(diǎn)數(shù)量增多，溫度采集環(huán)境電磁干擾復(fù)雜性增大[4]，由此對(duì)溫度采集系統(tǒng)的精度、集成度和可靠性等指標(biāo)提出了更高要求。鑒于以上要求，本文選取STM32微控制器為控制核心，PT100鉑電阻為溫度傳感器，利用多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器選取，數(shù)字隔離電路隔離控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，設(shè)計(jì)出一款適用于工業(yè)應(yīng)用的高精度、低成本、抗干擾能力強(qiáng)的多路溫度采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及測(cè)溫原理

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，多路溫度采集系統(tǒng)由四線制PT100溫度傳感器、標(biāo)準(zhǔn)電阻(R1和R2)、恒流源電路、多路模擬開關(guān)、信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、RS485電路、數(shù)字隔離電路以及STM32微控制器電路組成。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)劃分為現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和控制側(cè)。

圖1 多路溫度采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 測(cè)溫原理

溫度采集系統(tǒng)根據(jù)PT100鉑電阻阻值隨溫度變化而變化這一特性，采用恒流源將PT100電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?，模擬電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后發(fā)送至STM32微控制器，再由STM32微控制器將采集到的電壓值換算為溫度值，并采用RS485通訊方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。系統(tǒng)通過控制多路模擬開關(guān)選通待測(cè)PT100，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度采集。

在溫度采集過程中，減小PT100電阻值計(jì)算誤差是實(shí)現(xiàn)高精度溫度采集的關(guān)鍵，因此本系統(tǒng)采用三電阻自校正法[5-6]提高PT100電阻值計(jì)算精度。三電阻自校正法通過采集標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2和PT100鉑電阻所在通道的三個(gè)電壓值即可求得待測(cè)PT100電阻值，其計(jì)算過程避免了對(duì)恒流源、放大增益以及AD參考電壓等存在誤差的參數(shù)的直接計(jì)算，結(jié)果只受標(biāo)準(zhǔn)電阻R1與R2精度影響。標(biāo)準(zhǔn)電阻R1與R2通過選取高精度、低溫漂的精密電阻，以實(shí)現(xiàn)PT100電阻值計(jì)算精度的提高。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流源電路

PT100是電阻類器件，其激勵(lì)電流應(yīng)不大于1 mA[7-8]。為此采用TI公司的集成差動(dòng)運(yùn)放芯片INA132與運(yùn)放芯片OPA333構(gòu)成輸出為1 mA的恒流源電路，其中INA132構(gòu)成同相求和運(yùn)放電路，OPA333構(gòu)成電壓跟隨器，電路如圖2所示。

圖2 恒流源電路

Uref由低噪聲、高精度基準(zhǔn)電壓源ADR4525提供2.5 V電壓，R5選取阻值為2.5 kΩ的金屬膜電阻。根據(jù)理想運(yùn)放虛短、虛斷原理可得到：

(1)

由此可推算出：

2.2 多路模擬開關(guān)

多路模擬開關(guān)選取8路差分模擬開關(guān)芯片ADG507，其具有低漏電流以及低導(dǎo)通電阻。本系統(tǒng)以2片ADG507芯片為一組實(shí)現(xiàn)待測(cè)通道電阻選取，其中1片ADG507選通恒流源至待測(cè)電阻，另外1片選通待測(cè)電壓至信號(hào)調(diào)理電路，兩片ADG507的通道地址引腳和使能引腳分別連接在一起，由STM32微控制器同時(shí)控制。多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路的復(fù)用，使得多通道具有一致性，同時(shí)極大降低了硬件設(shè)計(jì)成本。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路由濾波電路和儀表放大電路組成，濾波電路采用差分低通濾波器，可有效濾除工業(yè)環(huán)境中的工頻干擾及其他高頻干擾；儀表放大電路由AD620儀表放大器構(gòu)成，其放大增益通過一個(gè)外部增益電阻RG進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)將濾波后的電壓放大至AD轉(zhuǎn)換器量程內(nèi)，信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

由于PT100電壓呈直流特性且變化緩慢，同時(shí)系統(tǒng)通道切換頻率低，因此將差分低通濾波器帶寬設(shè)計(jì)在50 Hz以下。對(duì)于差分低通濾波器，R3和R4典型值為2 kΩ或10 kΩ，C3電容值決定濾波器差分帶寬，其取值在不使輸入信號(hào)衰減的情況下要盡可能小，C1、C2電容值決定共模帶寬，為獲得較好的交流共模抑制性能，C1、C2的值應(yīng)為C3電容值的10%或更小[9]。本系統(tǒng)取R2=R3=10 kΩ，C1=C2=0.47 μF，C3=4.7 μF得到：

因此設(shè)計(jì)出的濾波器能有效濾除頻率大于33.86 Hz的共模干擾和頻率大于1.61 Hz的差模干擾。

2.4 數(shù)字隔離電路

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常存在不同形式的電磁干擾，干擾信號(hào)會(huì)以空間輻射和線路串?dāng)_等方式耦合到系統(tǒng)中，影響微控制器正常工作，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。因此，本系統(tǒng)采用ADI公司的磁耦數(shù)字隔離芯片進(jìn)行數(shù)字隔離，相比普通光電隔離器件，不需要外部驅(qū)動(dòng)器件或分立元件，具有性能高、功耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)[10-11]，將其設(shè)置在AD轉(zhuǎn)換電路和RS485電路與STM32之間，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)隔離的目的，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PT100分度函數(shù)分段線性擬合

0 ℃～650 ℃范圍內(nèi)，PT100電阻值與溫度關(guān)系可用如下分度函數(shù)表示[12-13]：

Rt=R0(1+AT+BT2)

(2)

其中，R0=100 Ω(0 ℃時(shí)PT100電阻值)，A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7，Rt為PT100電阻值，T為PT100溫度值。

由式(2)可知，PT100的分度函數(shù)呈非線性且函數(shù)關(guān)系復(fù)雜，STM32直接處理該函數(shù)不僅編程麻煩且計(jì)算費(fèi)時(shí)。這里對(duì)式(2)進(jìn)行分段線性擬合處理[14-16]，得到0～50 ℃和50 ℃～100 ℃的T-Rt一次線性表達(dá)式：

(3)

Rt在0 ℃～50 ℃所對(duì)應(yīng)的值為100 Ω～119.3971 Ω，50 ℃～100 ℃所對(duì)應(yīng)的值為119.6962 Ω～138.5055 Ω。通過在程序中判斷Rt所在區(qū)間，選擇式(3)中所對(duì)應(yīng)的T-Rt函數(shù)完成溫度值計(jì)算。

3.2 軟件工作流程

系統(tǒng)工作時(shí)，首先采用三電阻自校正法求取待測(cè)PT100電阻值Rt，之后選擇相應(yīng)Rt-T轉(zhuǎn)換公式完成溫度值計(jì)算，最后將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，軟件工作流程如圖4所示。

圖4 軟件工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

電路板實(shí)物如圖5所示。

圖5 電路板實(shí)物圖

本文設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)22路溫度數(shù)據(jù)采集。由于采用多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路的復(fù)用，因此各個(gè)測(cè)溫通道轉(zhuǎn)換具有一致性。為避免實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作重復(fù)，實(shí)驗(yàn)任意選取2路通道A和B的PT100鉑電阻進(jìn)行精度驗(yàn)證。將兩路PT100與二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)(精度0.1)同時(shí)放入恒溫箱內(nèi)，調(diào)節(jié)恒溫箱溫度，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)每變化0.5 ℃時(shí)，使用溫度采集系統(tǒng)完成一次當(dāng)前溫度采集，兩路PT100的實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù) (單位：℃)

由表1可知，溫度采集系統(tǒng)精度達(dá)0.1 ℃，分辨率達(dá)0.01 ℃。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)采用的三電阻自校正法和PT100分度函數(shù)分段線性擬合，提升了多路溫度采集系統(tǒng)的測(cè)溫精度和軟件執(zhí)行速度，采用數(shù)字隔離電路增強(qiáng)了系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中的工作穩(wěn)定性，具有測(cè)溫精度高、采集通道數(shù)多、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。將該系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程溫度采集中，可使生產(chǎn)管理透明化，保障生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)其也可作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行多點(diǎn)溫度采集，具備良好的實(shí)用前景和推廣價(jià)值。

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