基于STM32的多路温度采集系统设计

李 杉， 庹先国,2， 张贵宇,2， 陈 林

(1. 四川理工学院自动化与信息工程学院， 四川 自贡 643000；2. 人工智能四川省重点实验室, 四川 自贡 643000)

引 言

温度用于表征物体的冷热程度[1]，在日常生活、工业生产和科学研究中是一个非常普遍又极为重要的物理参数，许多领域如电力、化工、石油、热处理和食品加工等都涉及到对温度信息的采集[2-3]。随着工业4.0、中国制造2025等战略的推进，各大生产企业对传统生产模式实施信息化、智能化改革，并不断扩大自动化生产规模，在该形势下使得生产中需要采集的温度点数量增多，温度采集环境电磁干扰复杂性增大[4]，由此对温度采集系统的精度、集成度和可靠性等指标提出了更高要求。鉴于以上要求，本文选取STM32微控制器为控制核心，PT100铂电阻为温度传感器，利用多路模拟开关实现多个传感器选取，数字隔离电路隔离控制系统与现场信号，设计出一款适用于工业应用的高精度、低成本、抗干扰能力强的多路温度采集系统。

1 系统组成及测温原理

1.1 系统组成

如图1所示，多路温度采集系统由四线制PT100温度传感器、标准电阻(R1和R2)、恒流源电路、多路模拟开关、信号调理电路、AD转换电路、RS485电路、数字隔离电路以及STM32微控制器电路组成。在拓扑结构上，系统划分为现场侧和控制侧。

图1 多路温度采集系统整体结构

1.2 测温原理

温度采集系统根据PT100铂电阻阻值随温度变化而变化这一特性，采用恒流源将PT100电阻值转变为电压值，模拟电压经信号调理电路和AD转换电路转换为数字量后发送至STM32微控制器，再由STM32微控制器将采集到的电压值换算为温度值，并采用RS485通讯方式将温度数据发送至上位机。系统通过控制多路模拟开关选通待测PT100，实现对多个测温点的温度采集。

在温度采集过程中，减小PT100电阻值计算误差是实现高精度温度采集的关键，因此本系统采用三电阻自校正法[5-6]提高PT100电阻值计算精度。三电阻自校正法通过采集标准电阻R1、R2和PT100铂电阻所在通道的三个电压值即可求得待测PT100电阻值，其计算过程避免了对恒流源、放大增益以及AD参考电压等存在误差的参数的直接计算，结果只受标准电阻R1与R2精度影响。标准电阻R1与R2通过选取高精度、低温漂的精密电阻，以实现PT100电阻值计算精度的提高。

2 系统硬件电路设计

2.1 恒流源电路

PT100是电阻类器件，其激励电流应不大于1 mA[7-8]。为此采用TI公司的集成差动运放芯片INA132与运放芯片OPA333构成输出为1 mA的恒流源电路，其中INA132构成同相求和运放电路，OPA333构成电压跟随器，电路如图2所示。

图2 恒流源电路

Uref由低噪声、高精度基准电压源ADR4525提供2.5 V电压，R5选取阻值为2.5 kΩ的金属膜电阻。根据理想运放虚短、虚断原理可得到：

(1)

由此可推算出：

2.2 多路模拟开关

多路模拟开关选取8路差分模拟开关芯片ADG507，其具有低漏电流以及低导通电阻。本系统以2片ADG507芯片为一组实现待测通道电阻选取，其中1片ADG507选通恒流源至待测电阻，另外1片选通待测电压至信号调理电路，两片ADG507的通道地址引脚和使能引脚分别连接在一起，由STM32微控制器同时控制。多路模拟开关实现了信号调理电路和AD转换电路的复用，使得多通道具有一致性，同时极大降低了硬件设计成本。

2.3 信号调理电路

信号调理电路由滤波电路和仪表放大电路组成，滤波电路采用差分低通滤波器，可有效滤除工业环境中的工频干扰及其他高频干扰；仪表放大电路由AD620仪表放大器构成，其放大增益通过一个外部增益电阻RG进行设置，实现将滤波后的电压放大至AD转换器量程内，信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路

由于PT100电压呈直流特性且变化缓慢，同时系统通道切换频率低，因此将差分低通滤波器带宽设计在50 Hz以下。对于差分低通滤波器，R3和R4典型值为2 kΩ或10 kΩ，C3电容值决定滤波器差分带宽，其取值在不使输入信号衰减的情况下要尽可能小，C1、C2电容值决定共模带宽，为获得较好的交流共模抑制性能，C1、C2的值应为C3电容值的10%或更小[9]。本系统取R2=R3=10 kΩ，C1=C2=0.47 μF，C3=4.7 μF得到：

因此设计出的滤波器能有效滤除频率大于33.86 Hz的共模干扰和频率大于1.61 Hz的差模干扰。

2.4 数字隔离电路

工业生产现场常存在不同形式的电磁干扰，干扰信号会以空间辐射和线路串扰等方式耦合到系统中，影响微控制器正常工作，降低系统稳定性和可靠性。因此，本系统采用ADI公司的磁耦数字隔离芯片进行数字隔离，相比普通光电隔离器件，不需要外部驱动器件或分立元件，具有性能高、功耗低、体积小等优势[10-11]，将其设置在AD转换电路和RS485电路与STM32之间，实现控制系统与现场隔离的目的，提高系统抗干扰能力。

3 系统软件设计

3.1 PT100分度函数分段线性拟合

0 ℃～650 ℃范围内，PT100电阻值与温度关系可用如下分度函数表示[12-13]：

Rt=R0(1+AT+BT2)

(2)

其中，R0=100 Ω(0 ℃时PT100电阻值)，A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7，Rt为PT100电阻值，T为PT100温度值。

由式(2)可知，PT100的分度函数呈非线性且函数关系复杂，STM32直接处理该函数不仅编程麻烦且计算费时。这里对式(2)进行分段线性拟合处理[14-16]，得到0～50 ℃和50 ℃～100 ℃的T-Rt一次线性表达式：

(3)

Rt在0 ℃～50 ℃所对应的值为100 Ω～119.3971 Ω，50 ℃～100 ℃所对应的值为119.6962 Ω～138.5055 Ω。通过在程序中判断Rt所在区间，选择式(3)中所对应的T-Rt函数完成温度值计算。

3.2 软件工作流程

系统工作时，首先采用三电阻自校正法求取待测PT100电阻值Rt，之后选择相应Rt-T转换公式完成温度值计算，最后将采集到的温度数据发送至上位机，软件工作流程如图4所示。

图4 软件工作流程图

4 实验测试

电路板实物如图5所示。

图5 电路板实物图

本文设计的温度采集系统能够实现22路温度数据采集。由于采用多路模拟开关实现对信号调理电路和AD转换电路的复用，因此各个测温通道转换具有一致性。为避免实验测试工作重复，实验任意选取2路通道A和B的PT100铂电阻进行精度验证。将两路PT100与二等标准水银温度计(精度0.1)同时放入恒温箱内，调节恒温箱温度，当标准水银温度计每变化0.5 ℃时，使用温度采集系统完成一次当前温度采集，两路PT100的实验测试部分数据见表1。

表1 实验测试数据 (单位：℃)

由表1可知，温度采集系统精度达0.1 ℃，分辨率达0.01 ℃。

5 结束语

本文设计采用的三电阻自校正法和PT100分度函数分段线性拟合，提升了多路温度采集系统的测温精度和软件执行速度，采用数字隔离电路增强了系统在工业环境中的工作稳定性，具有测温精度高、采集通道数多、成本低、抗干扰能力强等优点。将该系统应用在工业生产过程温度采集中，可使生产管理透明化，保障生产质量，同时其也可作为实验设备对实验对象进行多点温度采集，具备良好的实用前景和推广价值。

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