基于STM32的铂热电阻桥式测温系统设计与实现

刘 刚，陈树新

（北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

在电传动实验中，需要对电机和驱动器电力器件进行温度监测，防止电机和电力器件由于温度过高而损坏，因此温度的实时精确测量就显得十分重要[1-4]。对于此类实验的温度测量多采用PT100铂热电阻，铂热电阻具有准确度高、性能稳定、耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件[5-7]。

实际测量中，电机内部的铂热电阻传感器往往体积和功率较小（通过电流小于1 mA），如果按照传统的恒流源方法，不仅会使电阻发热造成测量不精确，还会损坏铂热电阻传感器[8]。另外，铂热电阻的信号线往往很长，会达到几十米甚至上百米，由于引线电阻与PT100串联，增大了电阻，会使得测量误差非常大[9]。与此同时铂热电阻的非线性特性也会带来一定的误差[10]。

为解决以上问题，本文以STM32单片机为核心，采用三线制铂热电阻桥式测温法，设计并实现了一套具有CAN接口的测温系统，用精密电阻箱对系统做了标定，可在线精确测量温度范围（0～250）℃。文章对该系统的测量原理、模型、标定方法和实验结果进行了介绍。

1 铂热电阻测温原理

铂热电阻温度测量原理是将温度值的变化转化为电阻值的变化。通过已知的温度和电阻的关系，用测量电阻的方法得出当前温度值。

铂热电阻的阻值RT与温度T之间的关系是非线性的，如式（1）所示，当温度在（0～650）℃时，

其中：RT和R0分别是T℃和0℃电阻的阻值。

2 测温系统模型

图1为铂热电阻桥式测温系统组成框图，图中的STM32测温模块每一块具有4路温度采集和1路CAN通讯。具体运用中可以根据工程中被测温度数量，取用任意块测温模块。测温模块可随意安装在方便测量铂热电阻信号的地方，所有测温模块通过CAN总线连接起来，在总线两端配上终端电阻，将测得的信号数据发送给动力监测系统或任何具备CAN通信的设备。实现温度数据即时传输，在线测量。

图1 铂热电阻桥式测温系统组成框图Fig.1 Composition block diagram of temperature measuring system for thermistor

图2为测温系统的原理框图，PT100经过不平衡电桥后转为毫伏电压差信号，再经过差分比例放大后送入STM32中进行AD转换运算。把PT100的阻值信号转化为电压差信号。

图2 铂热电阻桥式测温系统原理框图Fig.2 Principle block diagram of temperature measuring system for thermistor

系统采用图3中铂热电阻RT的三线式接法，设导线长度AB=AC=AD，即RAB=RAC=RAD，此接法相当于在电桥两路同时加入了电阻RAB、RAD和电阻RAC、RAD。对测量RT的阻值毫无影响，消除了两线制接法中铂热电阻导线电阻带来的误差。

图3 铂热电阻桥式测温系统硬件原理图Fig.3 Hardware block diagram of temperature measuring system for thermistor

图3中UD为桥路所加电压，通过选择U101可以改变桥路电压值，通过改变R1、R2的阻值可以调节通过铂电阻RT的电流大小，因此可以根据铂热电阻传感器的功率大小来改变通过它的电流大小，避免传感器发热损坏造成测量误差。

由于电桥输出的电压差很小，如果直接用STM32的AD输入来采集，电压信号太弱造成数据偏差较大；所以本系统中将电压差经过差分比例放大后与电压跟随器相连，再送给STM32单片机采集。图3中用来调节放大器增益，R4=R5，R6=R7，通过电路可以得到RT与UOUT的关系式：

3 测温系统的标定和数据处理

为避免铂热电阻的非线性和不平衡电桥硬件电路非线性 （主要指放大器饱和部分带来的非线性）所带来的误差，首先要对系统做标定。

方法是通过恒温箱得出PT100铂热电阻在（0～250）℃各个温度点所对应的阻值，再用精密电阻箱代替PT100，即将图3中的RT用精密电阻箱取代，调节精密电阻箱的取值，通过STM32的12位AD模块进行采样，得到在各阻值下对应的电压输出UOUT。如表1所示，数据只列出了每隔10℃的测量结果。

表1 测温系统标定数据Tab.1 Calibration data of temperature measurement system

表1中输出电压UOUT的范围为（0～5）V，这主要取决于STM32的AD模块输入为（0～5）V。通过调节电阻R8的阻值可以改变输出电压UOUT的取值，也就等于改变了系统的温度测量范围。由于本系统主要用于电传动实验中电机温度和驱动器电力器件温度测量，所以选择温度范围为（0～250）℃足够。

为了进一步减小由不平衡电桥电路带来的非线性误差，本文将表1中的结果用最小二乘法拟合，得到如图4所示的曲线图。

图4 铂热电阻桥式测温系统标定数据拟合图Fig.4 Calibration data of temperature measuring system for thermistor

图4中的X轴为输出电压UOUT，Y轴为温度。由此可以得到一个关于电压和温度的多项式：

式中：A=-0.099，B=52.64，C=-5.875。 通过 STM32 的12位AD模块来采集电压UOUT，再代入式（3）计算即可得到被测温度值T。

4 系统软件设计

铂热电阻桥式测温系统软件流程如图5所示。

图5 铂热电阻桥式测温系统软件流程图Fig.5 Software flow pattern of temperature measuring system for thermistor

系统在第一次测量前，需要通过CAN总线来设定式（3）中的标定拟合参数A、B、C。成功设定后便可以测得温度数据。

系统的数据传输主要通过CAN总线完成，采用主从式通信方式，即动力监测系统或带CAN通信的上位机作为主机，STM32测温模块作为从机，每一个测温模块在采集到温度之后，进行数据处理，然后由主机发送指令确定其工作模式，工作模式1表示测温模块每隔一段时间向主机发送当前测量值，工作模式2表示采集模块在接收到主机发送的读取数据指令以后，将采集结果返回给主机。

5 实验与结果分析

为了验证本系统的测量精度，将PT100铂热电阻放入恒温箱中进行测量，每个温度点测量3 min取均值，将结果与恒温箱设定温度进行对比。得到表2的测量结果，数据只列出了每隔10℃的测量结果。表中T1为恒温箱的设定温度，T2为本系统测量温度。e为本系统的绝对误差

表2 本系统测量结果与误差Tab.2 Measurements and error of temperature measurement system

从表格中可以看出本系统的测量绝对误差控制在0.1℃以内，完全适用于对电传动实验中电机温度以及驱动器电力器件的温度测量，满足测量精度需求。

6 结语

本文提出的三线制铂热电阻桥式测温方法很好地解决了电传动实验中电机和驱动器电力器件温度的精确在线测量，给出了铂热电阻测温原理与方法，通过三线制接法来消除传感器引线电阻带来的误差。采用不平衡电桥测电阻的方法，来避免小功率铂热电阻在测量时发热损坏引起的误差。用精密电阻箱代替PT100铂热电阻对系统做了标定，采用最小二乘法来消除测温系统的非线性，使系统的测量绝对误差小于0.1℃。并且设计了一款基于STM32位单片机的测温模块，使测量数据可以同步传输。同时可以兼容任何一个使用CAN总线通信的设备终端，真正实现温度远程在线测量。具有相当高的精确度和实时性。

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