王 標(biāo)，吳 薇

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

溫度測量是人們?nèi)粘Ｉ罴肮I(yè)現(xiàn)場中必不可少的重要環(huán)節(jié)，本論文所設(shè)計(jì)的多類型溫度測量儀以STM32F4芯片為控制核心，選用較常見的、工業(yè)應(yīng)用廣泛的集成式數(shù)字溫度傳感器DS18B20、紅外溫度傳感器MLX90614、PT100和PT1000鉑熱電阻溫度傳感器、K型和T型熱電偶溫度傳感器作為感溫元件進(jìn)行溫度測量。

1 整體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集成式數(shù)字溫度傳感器、紅外溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和鉑熱電阻溫度傳感器作為感溫元件，通過前端信號處理電路，用STM32處理器處理數(shù)據(jù)，最后實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上，用串口進(jìn)行上位機(jī)通訊和系統(tǒng)調(diào)試，按鍵分為兩個(gè)部分，一部分作為輸入控制選擇熱電阻測量方式：二線制、三線制或者四線制；另一部分作為控制選擇熱電偶溫度傳感器測量方式，進(jìn)行溫度補(bǔ)償或者不進(jìn)行溫度補(bǔ)償。數(shù)碼管和按鍵構(gòu)成人機(jī)交互界面，達(dá)到系統(tǒng)與操作者的輸入與輸出交互功能。

圖1 整體方案系統(tǒng)框圖Fig.1 Overall scenario system block diagram

圖2 DS18B20溫度傳感器接口電路圖Fig.2 DS18B20 Temperature sensor interface circuit diagram

圖3 MLX90614紅外溫度傳感器接口電路圖Fig.3 MLX90614 Infrared temperature sensor interface circuit diagram

圖4 PT100/PT1000線制選擇電路圖Fig.4 PT100/PT1000 Wire selection circuit diagram

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 集成式溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)針對集成式溫度傳感器的選取主要考慮的方面為使用方便、可行性高、市面上應(yīng)用比較廣泛。因此，本設(shè)計(jì)選取了比較常見的DS18B20傳感器。

DS18B20工作時(shí)被測溫度值直接以“單總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[1]。其內(nèi)部采用在線溫度測量技術(shù)，測量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃時(shí)，精度為±0.5℃。具體接口電路如圖2所示。

2.2 紅外溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)

紅外測溫的原理為黑體輻射定律，它具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測目標(biāo)溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)中采用的典型紅外傳感器為MLX90614溫度傳感器，該傳感器既集成了探測器同時(shí)還將信號處理芯片一并集成在片內(nèi)，測量出來的溫度存儲于處理芯片的內(nèi)部RAM之內(nèi)[2]。本設(shè)計(jì)中，MLX90614溫度傳感器采用3.3V電源供電，將SCL和SDA端接至單片機(jī)的兩個(gè)IO口，通過配置IO口電平的大小實(shí)現(xiàn)IIC協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸，從而將紅外溫度傳感器的輸出數(shù)值送往單片機(jī)最終顯示在數(shù)碼管上，具體接口電路如圖3所示。

2.3 鉑電阻溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)

PT100/PT1000溫度感測器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器，屬于正電阻系數(shù)，當(dāng)PT100/PT1000在0℃的時(shí)候它的阻值為100Ω/1000Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速地增長[3]，其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：

其中，α=0.00392，Ro為100Ω/1000Ω（在0℃的電阻值）。

鉑電阻3種接線方式分別可分為：二線制、三線制、四線制[4]。由于不同線制對PT100/PT1000的測量都存在影響，故本設(shè)計(jì)希望將這3種接法差異對比出來，故在進(jìn)行PT100/PT1000測量之前應(yīng)選擇好相對應(yīng)的線制，故采用帶光耦隔離繼電器作為線制選擇的控制器。如圖4所示，采用MAX31865芯片作為熱敏電阻至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器，通過繼電器控制FORCE+、RTDIN+、RTDIN-、FORCE-引腳的連接實(shí)現(xiàn)兼容于2線、3線和4線的傳感器連接。

2.4 熱電偶傳感器模塊設(shè)計(jì)

圖5 熱電偶信號處理電路圖Fig.5 Thermocouple signal processing circuit diagram

本設(shè)計(jì)中采用K型熱電偶和T型熱電偶作為感溫元件。熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢較大、靈敏度高、穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。采用一款專門為熱電偶設(shè)計(jì)的冷端補(bǔ)償熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX6675，將熱電偶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其內(nèi)部具有冷端補(bǔ)償功能[5]，熱電偶接線電路圖如圖5所示。由于補(bǔ)償導(dǎo)線長達(dá)3m，故采用AD轉(zhuǎn)換芯片AD7793與PT100熱敏電阻組合搭建冷結(jié)補(bǔ)償模塊實(shí)時(shí)測量熱電偶冷端溫度，即可實(shí)現(xiàn)通過按鍵選擇實(shí)時(shí)讀出熱電偶補(bǔ)償前后的溫度，方便對比補(bǔ)償前后的溫度差別[6]。

3 交互軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)在啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，初始化過程包括對各傳感器、數(shù)碼管、按鍵等的輸入或者輸出端進(jìn)行配置和初始化。初始化后開始獲取各傳感器所返回的測量值，其中由于鉑熱溫度傳感器存在線制選擇、熱電偶溫度傳感器存在補(bǔ)償前后選擇，故在獲取測量返回值之前必須確定目前所處的鍵值，鍵值確定通過按鍵按下獲取，最終輸出每種測量方式下的溫度數(shù)值，所有的溫度數(shù)值都將實(shí)時(shí)顯示在相對應(yīng)的數(shù)碼管上。

獲取各傳感器返回值后對返回值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對于DS18B20集成式溫度傳感器，其返回值為16位有符號BCD碼，其溫度與返回值之間轉(zhuǎn)換公式為：

對于MLX90614紅外溫度傳感器，其測量返回值也是16位有符號BCD碼，其溫度與返回值之間轉(zhuǎn)換公式為：

熱電偶溫度測量經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后返回值為32位BCD碼，其中第4位到第15位為經(jīng)冷端補(bǔ)償計(jì)算后數(shù)值，故應(yīng)取出所需的值：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

其溫度與返回值之間轉(zhuǎn)換公式為：

鉑熱電阻溫度傳感器經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后為16位有符號BCD碼，其溫度與返回值之間轉(zhuǎn)換公式為：

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

完成以上設(shè)計(jì)后，編寫程序并燒錄進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用加熱槽加熱水30℃并穩(wěn)定，再進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表格數(shù)據(jù)可知，各類型傳感器測溫?cái)?shù)據(jù)皆正常且精確貼近預(yù)設(shè)溫度值。

5 總結(jié)

本論文主要圍繞溫度測量展開，采取多種不同的方式來進(jìn)行溫度測量，主要測量方式有鉑電阻溫度測量、熱電偶溫度測量、紅外輻射測量、集成式溫度測量等。其中的鉑熱電阻測量分為PT100和PT1000兩種傳感器，每個(gè)傳感器又分為二、三、四線制；熱電偶測量分為K型和T型兩種傳感器，每個(gè)傳感器又分為補(bǔ)償前、補(bǔ)償后，每種方法都需要搭配不同的處理電路以便進(jìn)行信號采集。另外每種方法又對應(yīng)一塊數(shù)碼管用來顯示溫度的變化，同時(shí)也方便進(jìn)行不同方法間的對比。

本論文集成了4種工業(yè)現(xiàn)場常見的溫度測量方法，使用其典型傳感器和典型處理方法，較為全面，可為學(xué)生學(xué)習(xí)提供經(jīng)典樣例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)能更清楚相關(guān)傳感器的使用和工作狀態(tài)、測溫范圍、精度等。在價(jià)格方面，該平臺較市場上的類似產(chǎn)品更為低廉，更適合作為學(xué)生日常學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)平臺。