基于嵌入式的高精度温度传感系统设计

文/杨淳清 邓飞

1 系统整体方案

热电偶是测温系统中使用最普遍的元件，具有结构简单，装配方便等特点，但也存在冷端误差较高的问题，且很容易由于非线性波动引起较大的测量误差，为有效解决这一问题，提升热电偶测温系统的测量精度，本文基于嵌入式思想设计高精度温度传感测量系统，系统的整体设计方案如图1所示。

2 提升温度传感检测的设计思路

2.1 ARM单片机核心控制设计

意法半导体公司研发STM32F105R8T6 ARM单片机是本系统的核心处理器，采用Cortex-M3内核设计，最高运行主频可达72MHZ，内部集成了128KB片上Flash存储器，64KB的SRAM及14个通讯口。选用STM32F105R8T6作为本系统的核心处理器意在有效运用其高精度、高速度的特点，提升对热电偶测温电路温度信号采集、分析、设置和运算的效率，从核心处理运算角度提升整个系统的温度传感测量精度。

2.2 温度信号的高精度采集传输设计

ADS1147是TI公司研发的高精度16位多通道ADC转换器，在本系统中是温度信号高精度采集传输模块的核心部件，用于采集热电偶端传输的温度信号，并对信号进行A/D转换，为提升温度信号采集传输的精度，设计中采用了如下方法：

（1）前置滤波。实际硬件电路设计时，在热电偶电路与ADS1147之间设置了前置滤波电路，由2个10K的电阻R1、R2和20uf电容C1混联构成，可有效地降低热电偶采集温度时产生的噪声，以提升温度测量的精度。

（2）自适应数字传输转换。充分借助ADS1147内部集成的16位高精度ADC模块，在对热电偶采集数据进行转换时，通过外围电路的设计运用ADS1147内部的可编程增益放大器、自适应数字滤波器等元件，可实现对微弱温度模拟信号的精确测量和放大，提升测温的精度。

2.3 温度信号的高精度传感补偿设计

为降低热电偶测温电路冷端测量温度的误差，尽可能消除由于冷端测温误差和非线性波动导致的测量精度降低问题，本系统选用Sensirion公司最新研发的高精度温度传感器STS35作为温度信号高精度传感补偿模块。STS35采用增强信号处理方案设计，最高通讯速度达1MHZ，提供了高精度线性和供电压补偿数字输出，测温精度高达±0.1℃，具有超高的信噪比和高精度处理性能。应用STS35能够直接输出热电偶冷端温度，完成对热电偶冷端的温度补偿，以提升测量的精度。且实际电路设计中，只需要将STS35相关引脚与STM32F105R8T6的I/O引脚连接即可，不需要连接其他外部电路元件，大大降低了电路的复杂性。

3 系统测试结果分析

系统设计完成后，使用C语言编写简单的温度设置及显示程序即可进行效果测试。测试步骤为：首先，将系统置于恒温环境中设置好测量范围。本系统设置-50℃～200℃为温度测量范围。其次，设置恒温环境以50℃为间隔进行上升，但温度稳定后开始测试，表1为具体的测量结果。

由表1可知，系统在-50℃～200℃范围内各个温度测试节点所测量的温度偏差值均<±0.1℃，说明所设计的嵌入式温度传感测试系统有效地补偿了传统热电偶测温产生的误差，具有很高的精度。

表1：系统测试结果统计表

图1：系统整体设计框图

4 结语

本文设计了一种基于ARM单片机的嵌入式高精度温度测量传感系统，该系统具有电路结构简单，测温精度高等优点，能够有效提升热电偶测温电路的测量传输精度，具有很好的应用前景。