基于STM32的测温实验平台的设计

王 标，吴 薇

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009）

温度测量是人们日常生活及工业现场中必不可少的重要环节，本论文所设计的多类型温度测量仪以STM32F4芯片为控制核心，选用较常见的、工业应用广泛的集成式数字温度传感器DS18B20、红外温度传感器MLX90614、PT100和PT1000铂热电阻温度传感器、K型和T型热电偶温度传感器作为感温元件进行温度测量。

1 整体方案设计

如图1所示，本系统设计采用集成式数字温度传感器、红外温度传感器、热电偶温度传感器和铂热电阻温度传感器作为感温元件，通过前端信号处理电路，用STM32处理器处理数据，最后实时显示在数码管上，用串口进行上位机通讯和系统调试，按键分为两个部分，一部分作为输入控制选择热电阻测量方式：二线制、三线制或者四线制；另一部分作为控制选择热电偶温度传感器测量方式，进行温度补偿或者不进行温度补偿。数码管和按键构成人机交互界面，达到系统与操作者的输入与输出交互功能。

图1 整体方案系统框图Fig.1 Overall scenario system block diagram

图2 DS18B20温度传感器接口电路图Fig.2 DS18B20 Temperature sensor interface circuit diagram

图3 MLX90614红外温度传感器接口电路图Fig.3 MLX90614 Infrared temperature sensor interface circuit diagram

图4 PT100/PT1000线制选择电路图Fig.4 PT100/PT1000 Wire selection circuit diagram

2 硬件系统设计

2.1 集成式温度传感器模块设计

本设计针对集成式温度传感器的选取主要考虑的方面为使用方便、可行性高、市面上应用比较广泛。因此，本设计选取了比较常见的DS18B20传感器。

DS18B20工作时被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力[1]。其内部采用在线温度测量技术，测量范围为-55℃～125℃，在-10℃～85℃时，精度为±0.5℃。具体接口电路如图2所示。

2.2 红外温度传感器模块设计

红外测温的原理为黑体辐射定律，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点。

本设计中采用的典型红外传感器为MLX90614温度传感器，该传感器既集成了探测器同时还将信号处理芯片一并集成在片内，测量出来的温度存储于处理芯片的内部RAM之内[2]。本设计中，MLX90614温度传感器采用3.3V电源供电，将SCL和SDA端接至单片机的两个IO口，通过配置IO口电平的大小实现IIC协议数据传输，从而将红外温度传感器的输出数值送往单片机最终显示在数码管上，具体接口电路如图3所示。

2.3 铂电阻温度传感器模块设计

PT100/PT1000温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器，属于正电阻系数，当PT100/PT1000在0℃的时候它的阻值为100Ω/1000Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速地增长[3]，其电阻和温度变化的关系式如下：

其中，α=0.00392，Ro为100Ω/1000Ω（在0℃的电阻值）。

铂电阻3种接线方式分别可分为：二线制、三线制、四线制[4]。由于不同线制对PT100/PT1000的测量都存在影响，故本设计希望将这3种接法差异对比出来，故在进行PT100/PT1000测量之前应选择好相对应的线制，故采用带光耦隔离继电器作为线制选择的控制器。如图4所示，采用MAX31865芯片作为热敏电阻至数字输出转换器，通过继电器控制FORCE+、RTDIN+、RTDIN-、FORCE-引脚的连接实现兼容于2线、3线和4线的传感器连接。

2.4 热电偶传感器模块设计

图5 热电偶信号处理电路图Fig.5 Thermocouple signal processing circuit diagram

本设计中采用K型热电偶和T型热电偶作为感温元件。热电偶具有线性度好，热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。采用一款专门为热电偶设计的冷端补偿热电偶至数字转换芯片MAX6675，将热电偶信号转换成数字量，其内部具有冷端补偿功能[5]，热电偶接线电路图如图5所示。由于补偿导线长达3m，故采用AD转换芯片AD7793与PT100热敏电阻组合搭建冷结补偿模块实时测量热电偶冷端温度，即可实现通过按键选择实时读出热电偶补偿前后的温度，方便对比补偿前后的温度差别[6]。

3 交互软件设计与实现

整个系统在启动后首先进行初始化，初始化过程包括对各传感器、数码管、按键等的输入或者输出端进行配置和初始化。初始化后开始获取各传感器所返回的测量值，其中由于铂热温度传感器存在线制选择、热电偶温度传感器存在补偿前后选择，故在获取测量返回值之前必须确定目前所处的键值，键值确定通过按键按下获取，最终输出每种测量方式下的温度数值，所有的温度数值都将实时显示在相对应的数码管上。

获取各传感器返回值后对返回值进行数据处理，对于DS18B20集成式温度传感器，其返回值为16位有符号BCD码，其温度与返回值之间转换公式为：

对于MLX90614红外温度传感器，其测量返回值也是16位有符号BCD码，其温度与返回值之间转换公式为：

热电偶温度测量经AD转换后返回值为32位BCD码，其中第4位到第15位为经冷端补偿计算后数值，故应取出所需的值：

表1 实验数据Table 1 Experimental data

其温度与返回值之间转换公式为：

铂热电阻温度传感器经AD转换后为16位有符号BCD码，其温度与返回值之间转换公式为：

4 实验数据

完成以上设计后，编写程序并烧录进实验台进行实验。用加热槽加热水30℃并稳定，再进行测温实验，实验数据如表1所示。由表格数据可知，各类型传感器测温数据皆正常且精确贴近预设温度值。

5 总结

本论文主要围绕温度测量展开，采取多种不同的方式来进行温度测量，主要测量方式有铂电阻温度测量、热电偶温度测量、红外辐射测量、集成式温度测量等。其中的铂热电阻测量分为PT100和PT1000两种传感器，每个传感器又分为二、三、四线制；热电偶测量分为K型和T型两种传感器，每个传感器又分为补偿前、补偿后，每种方法都需要搭配不同的处理电路以便进行信号采集。另外每种方法又对应一块数码管用来显示温度的变化，同时也方便进行不同方法间的对比。

本论文集成了4种工业现场常见的温度测量方法，使用其典型传感器和典型处理方法，较为全面，可为学生学习提供经典样例，使学生在学习时能更清楚相关传感器的使用和工作状态、测温范围、精度等。在价格方面，该平台较市场上的类似产品更为低廉，更适合作为学生日常学习的实验平台。