基于恒流源驅(qū)動(dòng)的熱電阻測(cè)溫電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

基于恒流源驅(qū)動(dòng)的熱電阻測(cè)溫電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究【摘要】針對(duì)熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)中，導(dǎo)線電阻所帶來的測(cè)量誤差難以克服的問題，通過采用恒流源驅(qū)動(dòng)熱電阻以及通過加減運(yùn)算電路來克服導(dǎo)線帶來的測(cè)量誤差，從而獲得了具有較高精度的模擬信號(hào)。通過STM32對(duì)返回的模擬信號(hào)進(jìn)行定時(shí)采樣濾除干擾后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換從而獲得了較高精度的溫度值?！娟P(guān)鍵詞】STM32；恒流源；熱電阻ThermalresistancetemperaturecircuitsystemdesignandresearchbasedontheconstantcurrentsourcedriverWangLong-XIN（CollegeofAutomationandElectronicEngineering，QingdaoUniversityofScienceandTechnologyShandongQingdao266042）【Abstract】RTDtemperaturemeasurementsystemformeasuringleadresistanceerrorsbroughtinsurmountableproblembyusingaconstantcurrentsourcedrivesthethermalresistanceandbyaddingandsubtractingcircuittoovercomethemeasurementerrorcausedbywire，whichhaswonhighprecisionanalogsignal.AfterADconversionoftheanalogsignalbyreturningtimedsamplingfilteroutinterferenceandusingSTM32soastoobtainahighaccuracytemperaturevalues.【Keywords】STM32；Constantcurrentsource；PT1000.引言溫度是化工生產(chǎn)過程的四大參數(shù)之一[1]，溫度測(cè)量在生產(chǎn)生活各種參數(shù)測(cè)量中占有非常重要的地位，測(cè)量溫度的傳感器既有傳統(tǒng)的熱電阻，熱電偶等模擬量溫度傳感器，又有諸如DS18B20等可以直接獲取數(shù)字量的溫度傳感器。鉑熱電阻是一種精度高、線性度好、測(cè)量范圍寬的溫度傳感器[2]。因此在實(shí)際溫度測(cè)量中鉑熱電阻獲得了非常廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際熱電阻溫度測(cè)量電路中，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)常常會(huì)將導(dǎo)線電阻帶來的誤差引入測(cè)量電路中。對(duì)于PT100型熱電阻，溫度每變化一度，其阻值大約變化0.4歐姆，試想在遠(yuǎn)距離布線測(cè)量溫度時(shí)，若不能很好的消除導(dǎo)線電阻帶來的影響，那勢(shì)必會(huì)大大降低測(cè)量結(jié)果的精度。因此設(shè)計(jì)合適的熱電阻溫度采集電路系統(tǒng)來消除導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果影響具有非常現(xiàn)實(shí)的重要性。1.系統(tǒng)組成基于恒流源驅(qū)動(dòng)的熱電阻測(cè)溫電路系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心控制器，系統(tǒng)的原理框圖，如圖1-1所示，包括核心控制器STM32F103C8T6、恒流源驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、顯示電路、按鍵電路以及電源電路7個(gè)組成部分。圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖系統(tǒng)通過恒流源產(chǎn)生穩(wěn)定的1.5mA電流，電流流過PT100熱電阻會(huì)產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路可以把該微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波并送入STM32F103c8t6自帶的AD轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)根據(jù)AD轉(zhuǎn)換獲得的電壓值，通過計(jì)算電壓和熱電阻阻值的關(guān)系以及熱電阻阻值和溫度的關(guān)系方程求出測(cè)量到的溫度值并通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。2.硬件電路設(shè)計(jì)2.1STM32F103C8T6基本外圍電路圖2-1STM32F103C8T6基本外圍電路圖STM32F103C8T6片上系統(tǒng)是本測(cè)溫系統(tǒng)的控制核心，其基本外圍接口電路是保證系統(tǒng)正常工作的輔助電路，包括供電晶振電路、濾波電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)方式選擇電路等基本外圍電路。2.2恒流源電路恒流源驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器PT100，將其感知的隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)R-V轉(zhuǎn)換。恒流源電路由運(yùn)算放大器LM358、3V基準(zhǔn)電壓源、反饋電阻組成，考慮到LM358輸出電流的能力有限，所以設(shè)計(jì)恒流源輸出電流大小為1.5mA。恒流源電路如圖2-2所示。其中U1A，U1B均引入了負(fù)反饋，前者構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，后者構(gòu)成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R，因此：U=U（1）U=·U+·U=0.5U+0.5U（2）U=U=2U（3）將（2）式代入（3）可得：U=UU（4）R5上的電壓為：U=U-U=U所以i=所以恒流源輸出電流的大小只與U、R5有關(guān)。其中U=3V，R5=2K。因此i=1.5mA。圖2-2恒流源電路原理圖2.3信號(hào)采集調(diào)理電路圖2-3信號(hào)采集調(diào)理電路原理圖信號(hào)采集及調(diào)理電路如圖2-3所示。RT為溫度傳感器PT100，PT100采用三線制連接方法。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，三根導(dǎo)線采用相同規(guī)格、相同長度的導(dǎo)線，因此三根導(dǎo)線實(shí)際電阻近似相等，假設(shè)為r1=r2=r3=r。電路中R6=100K、R7=100K阻值都比較大，因此，恒流源流經(jīng)R6及R7的電流可忽略不計(jì)。具體來說，對(duì)于圖中接法，運(yùn)放U2A同相輸入端電壓V=V+V，運(yùn)放U2A反向輸入端電壓V=V+V+V。基于r1=r2=r3的假設(shè)，有V=V。則運(yùn)放A3的輸出V=2V-V=2（V+V）-（V+V+V）=V。即從理論上消除了引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于經(jīng)過一級(jí)放大獲得電壓信號(hào)仍然很微弱，所以還需要進(jìn)一步的放大，即U02=U。最后將獲得電壓信號(hào)U02送入STM32F103c8t6進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。3.軟件處理系統(tǒng)軟件包括AD轉(zhuǎn)換部分，數(shù)碼管顯示部分。為了提高溫度采集的精度，AD轉(zhuǎn)換部分每秒鐘采樣20次，并用插入法對(duì)所取的20個(gè)值進(jìn)行排序，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，剩下的18個(gè)取平均值。最后運(yùn)用查表法找到該阻值對(duì)應(yīng)的溫度值，并在數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示該溫度值。4.結(jié)論綜上所述，基于恒流源驅(qū)動(dòng)的熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)巧妙的電路設(shè)計(jì)消除了導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，極大的提高了測(cè)量精度。軟件采用每秒鐘采樣多次并去掉最大值和最小值對(duì)剩下的數(shù)據(jù)取平均值的方法高了系統(tǒng)的抗干擾能力，