数字温控器的高精度测温设计

摘？要：选用高精度测温芯片（Si7051）对热电偶做冷端补偿；为做温度？电压的转换，在热电偶分度表中做高密度双向线性插值；用三线Pt100做动肩构成不平衡电阻桥来检测热电阻值；通过解析法求解Pt100的一元四次热电阻方程得到温度；使用高精度Σ？—且有易驱动功能的模数转换器（ADC）；选用ARM Cortex-M3结构高性能32位微处理器STM32F103。綜合这些技术，能使温控器测温分辨率达到0.001 C °。对以上相关内容的误差分析以及在STM32F103上的编程实现是本文论述的重点。

关键词：温控器；高精度测温；热电偶双向线性插值；冷端补偿；三线Pt100电阻电桥；误差分析；一元四次方热电阻方程求解；STM32F103；LTC2486；算法与编程

0 引言

1 高精度测温电路设计

1.1 电路结构

图1所示是比较常规的设计，相对简单。没有了专门的信号放大、通道切换电路，滤波电路也是最简单的一阶无源RC。

1.2 温度传感器

通常，温控器要求配接2大类传感器，热电偶（TC）和热电阻（RTD）。

1.4 ADC的选择和使用

选用LTC2486（简称2486），主要是以下4个原因[1]。

①综合分辨率高，误差小。名义上是16位，实则17位（包含符号位）的分辨率。理想情况下，可分辨1μV 电压。

②有2个差分通道，正好满足一般温控器对热电偶和Pt100的输入需求，不需外加切换电路（会引入噪声误差）。

3）与STM32F103（简称F103）的接口

通过四线SPI与F103接口。

①双向方式，F103为主，2486为从；

②F103用的是3.3V 工作电压，而2486用5V ，中间要有电平转换。为此，F103的出信号（MOSI、SCK、NSS）应设置为开路（OD），上拉电阻为（3.3～ 5 1）k. ？；而2486的输出信号SDO则应通过电阻分压到3.3 V后连到F103的MISO。如图2所示。

2 编程

在IAR 7.20.5.624版下进行。用最新在2011年发布的3.5.0版[9]库函数。

2.1 F103与LT C2486接口编程

2.1.1 SPI初始化函数

1）程序

void SPI2_Init（void）

{

参照库函数编程。只是要注意设置PB13，PB15线为复用漏极开路输出。此方式是为了在F103与2486间进行电平转换。

1）算法

读取数据前，先要对2486的工作方式进行设置（写）。不同要求，设置也不同。这里仅是一例。注意缺省值的使用。

①通常选择2486的数据转换速率为6次/s。也可选12次/s，但这会使精度降低[1]，一般不选用。

②选择转换通道。在4个单端或2个差分通道作选择。

③选择GAIN值。根据1.4.1所述，进行不同选择。

在此之后，就可以读取数据了。

④2486在转换结束时会在SDO引脚输出1 bit低电平，它可作为转换结束标志（即EOC信号）来判断，一般用查询方式。

⑤2486每次转换后会输出3个8位字节数据。每个输出字节与1个写入字节数据同步进行。所以，正确的时序是：即先写1个字节，之后紧跟着读1个字节；再写1个字节，之后再读1个字节，反复进行。如果要读的字节数多于有效的写字节，用写0数据代替（空写）。

说明：也可以用其他方法求解此方程，如数值计算中牛顿或二分迭代法[12]。但此法更易上手。

2）程序（略）

3 温控器测温精度分析及数据记录

3.1 精度分析

测量精度通常会小于分辨率，也就是说高分辨率是高精度的基础。

3.1.1 热电偶

3.2 数据记录

图4显示的是STC温控器测试的环境温度时所得，值为20.693 C °。表1、表2则是该温控器连续测试的数据记录，一个用Pt100，另一个是E型热电偶。这些值有时能保持～10 ～13 s，一般～4 ～ 5 s，表明该温控器的Pt100能分辨0.001 C °，热电偶能分辨0.014 C °。实现了高精度。

测试说明：测试时，为保持环境温度相对稳定，要减少空气流动，减少热源。并在温度稳定后（约10 ～15 min）开始测量。

4 结束语

温控器的高精度温度测控任重道远，探索包括四线Pt100使用在内的更新的测温技术来提高测温精度将是本实验室的下一个前行目标。

参考文献：

[1] LTC2486-16-Bit 2-/4-Channel ΔS ADC with PGA and Easy Drive Input Current Cancellation[M/OL].ADI，（2014-11：1，5，17）[2019-10-8].https：//www.analog.com/media/en/ technical-documentation/Data-sheets/2486fe.pdf.

[2] LTC2480-16-Bit ？Σ ADC with Easy Drive Input Current Cancellation[M/OL].ADI，（2014-6：1）[2019-3-12].https：// www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/2480fe.pdf.

[3] A Basic Guide to Thermocouple Measurements[M/ OL].TI，（2014-11：4，6，9）[2019-10-8].https：//www.ti.com/ lit/an/sbaa274/sbaa274.pdf？ts=1593588456562&ref_ url=https%253A%252F%252Fcn.Bing.com%252F.

[4] 中國国家标准管理委员会.GB∕T 16839.1-2018 热电偶第1部分：电动势规范和允差[S]，北京：中国标准出版社.2018：1-67.

[5]中国国家标准管理委员会.GB/T 30121-2013 工业铂热电阻及铂感温元件[S].北京：中国标准出版社，2013：3-7。

[6]王昌世.高精度温度芯片Si7051在热电偶补偿中的应用[J].电子产品世界，2020（1）：69-73.

[7]王昌世.通过计算分度函数及反函数实现热电偶高精度测温[J].电子产品世界，2021（2）：69-71.

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[10] 甘英俊，周宏平.基于三线制的高精度热电阻测量电路设计[J]，电子设计工程，2010（12）：31-33.

[11] 一元四次方程的求根公式[EB/OL].[2020-6-29].http：// www.360doc.com/content/15/0209/02/15341227_ 447355569.shtml1.

[12] 张莉，姜建国.牛顿法在Pt100铂热电阻温度计算中的应用特性分析[J].现代电子技术，2007（6）：146-148.

[13] RM0008[M/OL].Rev 20.STMicroelectroni cs，（2018-12：159-196，699-751）[2021-2-9] https：//www. st.com/resource/en/reference_manual/cd00171190-stm32f101xx-stm32f102xx-stm32f103xx-stm32f105xxand-stm32f107xx-advanced-arm-based-32-bit-mcusstmicroelectronics.pdf.