基于STM8S的温度测量仪的设计

2017-10-12赵晓菲曾连荪

网络安全与数据管理 2017年18期

关键词：测量仪流程图温度传感器

赵晓菲，曾连荪

(上海海事大学信息工程学院，上海 200135)

基于STM8S的温度测量仪的设计

赵晓菲，曾连荪

(上海海事大学信息工程学院，上海 200135)

基于STM8S的温度测量仪的设计是以STM8S为控制核心，对温度测量进行研究，外围模块主要包括温度测量模块、显示模块、电源模块、键盘模块，具有测量结果显示、测量模式切换和过温欠温报警等功能。它本身的高精度、高灵敏度、宽量程、低功耗、小体积决定了使用方便的属性，适合于人们日常生活和工农业生产中的温度测量，STM8S与温度测量传感器的结合，可以作为一个系统，便于使用，有广泛的应用前景。

单片机；温度测量；STM8S温度传感器

Abstract: Temperature measuring instrument is designed based on STM8S, to control the core temperature measurement studies. The peripheral modules include temperature measurement module, display module, power module, and keyboard module. It is very convenient to use, with high accuracy, wide range, high sensitivity, small size, and low power consumption, suitable for our daily life and work. Combining agricultural production temperature measurement, STM8S and temperature measurement sensors can be used as a system, easy to use. It has a wide range of applications.

Key words:MCU; temperature measurement; STM8S temperature sensor

0 引言

在工业设备的制造过程中以及整机的性能测试中常会进行温度的测量，有时还需要对正在运行的工业设备进行温度的检测和控制，在人们日常生活和科学研究等方面遇到各类格式的物理量是很正常的，例如化学量、生物学量(包括医学方面)，从信号角度看，这些物理量都是经过温度传感器转换成电信号(近代还可转换成光信号)，然后再进行信号的传输、处理、存储、显示、控制等过程。国内外温度检测技术随着工业效率的不断提高以及自动化水平迅速发展和范围的不断扩大[1]，自身的要求也不断提高和严苛，一般归纳为以下几方面：

(1)扩展检测范围。监控当前的行业范围的温度可以达到200～30 000℃，未来的发展趋势是需要超高温和超低温检测，在其中对液化气体的极低温度检测是极为迫切的。

(2)对测温对象的范围进行扩大。温度检测技术要针对这些功能，能够实现点测温发展到实现线甚至面乃至整个立体的测量。它的应用范围从工业生产领域扩展至家用电器、航空航天、环境保护、汽车工业等诸多领域。

(3)发展新型产品。利用已有的检测技术生产出能够满足客户需求的适用于不同场合、不同工况要求的新型产业产品，与此同时利用新的检测技术繁衍出新生代产品。

(4)适应特殊环境的测温。在防爆、防硫、耐磨等特殊场合，温度测试器对这这些场合的应用都有着特殊的要求；另外还有诸如对火焰温度检测、高速旋转物体、移动物体的测温、钢水的连续测温等。

(5)数字化显示。随着技术的发展，温度检测仪器都向着数字显示直观方向发展，有着更高精度、更高分辨率等众多特点，所以其有着广泛的使用。

(6)自动化标定。利用计算机技术进行快速、准确、自动的温度传感器的标定。

依据上述这些要求，国内的电子研究都将朝着以下几个方面发展：

(1)对这些热电偶、热电阻、热敏电阻等需求量大的传统式的传感器器件保持继续生产[2]。

(2)对那些原理比较新的、材料比较新的、工艺比较新的投资研发力度要加强。。

(3)新兴的产品应该能够依靠微机系统的技术，使其能够具备有一定的判断及控制能力，更加智能化、人性化。

温度检测技术随着国内外工业的不断向前发展也取得了很大的进步，大致分为以下几种方法：物体热胀冷缩、热电效应、热阻效应以及热辐射原理[3]。

目前温度传感器系列产品主要囊括以下几类[4]：DS18B20数字温度传感器、PT100/PT1000铂电阻温度传感器、LM35集成温度传感器和AD590/AD592集成温度传感器以及NTC热敏电阻温度传感器等。此次设计就是在这些传感器的基础上进行整合，选取最适合环境的测量方法，从而提高测量系统的精度和准确度。

1 总体设计及原理

基于STM8S的温度测量仪以STM8S为核心控制器件，外围采用温度测量模块、键盘模块、温度显示模块、LED灯报警。本设计综合多种温度检测电路，包括数字温度传感器、热敏电阻和铂电阻等实现高温和低温的测量[5]，具有测量结果显示、测量模式切换和过温欠温报警等功能。其基本构成如图1所示。

图1 温度测量仪系统构成

2 基本工作过程

单种的温度测量仪不可能适用于任何环境，本设计想要将目前五种温度测量仪产品分成五个模块，与单片机连接，通过接口控制模式的选择，从而选取在环境中较为精确、较为适宜的测量方法。通过A/D转换，利用数码管显示，进行温度监测，被测温度和系统模式均可数字显示,当温度超出设定范围时通过声、光报警。本设计采用32引脚封装，提供多达9个I/O口,分别以PA、PB、……、PI命名，可通过编程方式将引脚电路结构完全相同的每一个I/O口、同一个I/O口内的任意一个I/O口进行为：浮空输入方式(复位后的缺省状态)、弱上拉输入方式(特别适合作为矩阵键盘的输入引脚)。上拉电阻在30～60 kΩ之间，典型值为45 kΩ。

3 温度测量模块电路设计

AD590恒流输出，电流为1 μA/K。在电路设计中使用1 kΩ电阻与其相串连，此电阻两端的电压为0.001 V/K。在零摄氏度时电阻两端的电压为0.273 V，进行跟随，再经过差分放大电路把电压放大10倍，然后进行A/D转换，读出被测温度。因为AD590的工作电压使用的是5 V，而LM324也是如此，同时还要将输出电压控制在3.3 V内，所以具体的做法是在对电阻的电压进行跟随后与0.273 V相减然后再放大10倍。这样输出电压最大也不会超过3.3 V,之后温度每改变1℃电阻电压就改变0.01 V。之后用STM8S进行A/D转换，该电路是将两个输入信号的差值作为电路有效输入信号，输出信号是对这两个输入信号之差进行放大。假设这样一种情况，即使存在干扰信号，也会对两个输入信号产生相同的干扰，但因为是差值，所以干扰信号的有效输入值为0，从而达到了抗共模干扰的目的，温度范围为0～100℃。设计电路中采用LM35温度测量的典型电路，再对电压进行跟随，从而使得输出电压控制在3.3 V范围内，再进行A/D转换，从而显示测量温度，能达到的温度测量范围为-55℃～+150℃。DS18B20有两种封装形式，即：8脚SOIC封装形式和3脚PR-35封装形式，本设计中采用后者。寄生电源供电和电源供电是DS18B20的两种供电方式，对于电源供电方式而言，接地为1引脚，信号通信线2引脚，电源3引脚。可以用一个MOSFET管对总线进行上拉，从而可以使得DS18B20在时钟周期内能够有充足的电流，更加确保其功能的实现。当在特殊时段，即DS18B20在温度转化环节时，必须有最长10 μs的强大电压的上拉开启时间，以完成温度的A/D转换操作。而VDD和GND引脚端都接地时即是寄生电源供电方式的具体表现。正是由于一线制的单线操作的缘由，对发送口的要求即是其一定要为三态的。由于PT100有着众多的优势，其测量范围很大，在-200～+650℃之间，而且误差极小，稳定耐压等。所以使得PT100广受电子爱好者的使用。具体的技术参数。

(1) 测温适合范围：-200℃～+650℃。

(2)测温精度：0.1℃。

(3)稳定度：0.1℃本身就是电阻式的传感器，PT100其工作的基本原理就是测量其本身的电阻值而得到温度的测量，通过充放电过程来测量被测电阻，再经过比较器转换成电压信号，然后再对其做A/D转换，最后将A/D转换后的数据传给CPU做出相应的温度值计算。设计选用的是专门用于非接触式测量体温的PM611，该传感器是一个单一的敏感元件，因为它使用一个补偿元件接收元件和两个平行的串联结构，所以它可以有效地补偿环境温度波动、振动干扰。它的工作温度是-20℃～+100℃，十分合适在人体温度方面的测量。

其原理图分别如图2～5所示。