多路自标校温度控制系统设计

邱月娇，韩太林，孙小伟，王加科

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；2.长春市轨道交通集团有限公司，长春 130024；3.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

常温温度检测的计量标准器件为铂电阻，通过铂电阻测温得到的是模拟信号，需要通过数据采集转换才能得到温度值。铂电阻温度检测受采集电路影响，通常不易实现多路温度检测系统的一致性，温度标校工作又比较复杂，逐一进行标定工作量非常大。高精度的半导体数字温度检测器件可以达到温度检测的一致性，但数字温度传感器的响应灵敏度低、频率响应也比较低，本设计同时采用两种传感器，利用数字传感的准确度特性对模拟传感器采样值进行自标定，利用模拟传感器的高灵敏度实现高精度温度控制，同时实现多路温度控制系统相对精度的稳定性与一致性。

1 多路温度控制自标校系统硬件构成

本设计采用STM32F103ZET6转换端口对Pt100铂电阻测温电路输出模拟温度进行采样，获得0～4095范围上的温度采样值，由ADT7420模块组成数字温度传感器通过I2C总线与STM32F103ZET6单片机连接，获得绝对温度值并由自标校控制算法程序计算输出PWM模块脉冲信号，完成控制系统的总体硬件工作，系统总体硬件结构框图如图1所示。

图1 多路温度控制自标校系统硬件构成框图

1.1 STM32F103ZET6主控单片机

STM32F103ZET6属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3，基本参数如下：

（1）最高72MHz工作频率。

（2）512K字节的闪存程序存储器，2个12位模数转换器，1μs转换时间。

（3）串行单线调试（SWD）和JTAG接口，多达8个定时器，3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，1个16位带死区控制和紧急刹车，2个看门狗定时器，多达9个通信接口，2个I2C接口（支持SMBus/PMBus）。

STM32F103ZET6开发硬件实物图如图2所示。

图2 单片机整体设计PPD板子

1.2 PT100传感器温度采样电路

采用XTR105芯片作为Pt100的测量变换芯片将温度内Pt100变化值转换为4mA～20mA电流输出采用RCV420作放大转换芯片将4mA～20mA电流转换为0～3V电压输出。XTR105的电路设计图如图3所示。

图3 Pt100电路设计

为了提高本温度测量系统的测量精度，电流环接收器采用RCV420芯片设计。RCV420是美国RURR－BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4mA-20mA输入信号转换成为0V-5V输出信号，具有很高的性能价格比。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准。其总转换精度为0.1%，共模抑制比CMR达86dB，共模输入范围达±40V。

图4 4～20mA电流环接收器电路图

4mA～20mA电流环接收器电路原理图如图4所示，正负电源脚各接一个1μF的退耦电容，并尽可能地靠近放大器。

1.3 ADT7420温度芯片的I2C电路设计

ADT7420是ADI（亚德诺半导体技术有限公司）生产的一款封装高精度数字温度传感器，其工作特性如下：

（1）测量原理：它内置一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位ADC，用来监控温度并进行数字转换。

（2）分辨率：默认ADC分辨率设置为13位（0.0625℃）。ADC分辨率为用户可编程模式，可通过串行接口更改。

（3）工作电压：ADT7420的保证工作电压范围为2.7V至5.5V；工作电压为3.3V时，平均电源电流的典型值为210μA。ADT7420具有关断模式，可关断器件，3.3V时的关断电流典型值为2.0μA。

（4）数据传输形式：I2C模式，可为ADT7420提供四个I2C地址。CT引脚属于开漏输出，当温度超过临界温度限值（可编程）时，该引脚变为有效。INT引脚也属于开漏输出，当温度超过限值（可编程）时，该引脚变为有效。INT引脚和CT引脚可在比较器模式和中断事件模式下工作。

（5）工作性能：温度精度±0.20°C（-10℃至+85℃，3.0V至3.3V）±0.25℃（-20℃至+105℃，3.0V至3.6V）16位温度分辨率：0.0078℃。

图5 典型I2C接口连接

ADT7420的控制经由I2C兼容串行接口实现。ADT7420作为从器件连接至此总线，受主器件控制。与大多数I2C兼容器件一样，ADT7420也具有7位串行地址。此地址的5个MSB从内部硬连线至10010。引脚A1和引脚A0设置2个LSB。这些引脚可以配置成低和高两种电平，以提供4种不同的地址选项。

2 自标校软件及算法设计

2.1 自标校软件设计

采用数字PID控制原理I2C控制PWM输出开发软件为Keil。Keil是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。uVision当前最高版本是uVision3，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。

软件控制流程如图6所示。

图6 软件控制流程图

主程序设计：

2.2 自标校动态检测算法设计

控制系统是以Pt100传感器作为基准控制器以ADT7420I2C数据作为校准量，采样时钟为Pt10012位ADC采样周期为100ms。ADT7420采样周期为1.6s自标校算法如下：

图7 自标校流程图

自标校算法如下：

3 实验结果

多路自标校温度控制系统设计完成后应用于大靶面红外靶标耙元温度控制中，通过上位机采集到主控温度数据，应用自标校算法程序计算出温度采集值，综合表1结果认为本设计可以通过自标校算法实现电路温度控制函数的绝对控制。

图8 数据采集

对四路数据进行采样并记录，数据如表1所示。

表1 控制结果分析

通过自标校控制前后靶板红外成像仪拍摄的图像对比如图9所示。

图9 温控前后对比图

4 结论

本温度测量系统设计，以Pt100，ADT7420为模拟与数字传感器，以STM32F103ZET6单片机为主控制CPU，设计了针对Pt100温度采样电路，并实现了ADT7420的I2C读取电路，利用STM32F103ZET6芯片实现了基于数字PID下的脉宽调制自标校温度控制，并通过串口通信电路完成了温度控制系统实验，从实验数据分析得到了预期的效果。

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