范雪琴

(丹東機(jī)床有限責(zé)任公司 技術(shù)科，遼寧 丹東 118000)

基于STM32單片機(jī)的熱量表低成本測溫電路設(shè)計

范雪琴

(丹東機(jī)床有限責(zé)任公司 技術(shù)科，遼寧 丹東 118000)

使用常見的電阻、電容器件，根據(jù)RC充放電原理，利用STM32單片機(jī)內(nèi)置的16位定時器測量RC充電時間，再通過時間與阻值對應(yīng)關(guān)系的計算，獲取測量阻值，從而實(shí)現(xiàn)了熱量表的低成本測溫.

STM32單片機(jī)；熱量表；低成本；測量溫度

目前市場中出現(xiàn)的熱量表普遍采用高性能、低成本、低功耗的STM32單片機(jī)作為核心，利用STM32F103單片機(jī)制作的熱量表具有成本低、計量精度高、通訊接口豐富等優(yōu)點(diǎn).然而，基于STM32單片機(jī)熱量表的測溫電路仍采用傳統(tǒng)的電壓測量電路或者電流測量電路，兩種電路都需要復(fù)雜的外圍門電路以及高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片，同時外圍器件的增多也會使電路板的面積增大，從而導(dǎo)致熱量表的成本增加.本文基于STM32單片機(jī)，使用簡單的電阻、電容，利用RC充放電原理實(shí)現(xiàn)了熱量表的低成本測溫.

1 STM32系列單片機(jī)

STM32系列單片機(jī)是由意大利意法半導(dǎo)體推出的ARM32位Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)，采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，達(dá)到1.25 DMIPS/MHz，在功耗上更是達(dá)到0.6 mW/MHz.使用Thumb-2指令集，自動16/32位混合排列，具有很高的代碼密度.單周期的32位乘法以及硬件除法器，保證STM32的運(yùn)算能力有大幅提高，在一些對計算能力要求相對較低而嵌入式要求相對較高的場合，STM32具有取代傳統(tǒng)DSP的潛力甚至優(yōu)勢[1].STM32包含嵌套向量中斷控制器NVIC，中斷響應(yīng)速度最快僅6周期，內(nèi)部集成總線矩陣，支持DMA操作及位映射.STM32有豐富的外設(shè)資源，F(xiàn)LASH、SRAM存儲器，豐富的串行通信接口，如IIC、SPI、USART、CAN、USB等，以及12位的ADC和DAC模塊，支持外部存儲器訪問的靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC.本設(shè)計方案中，熱量表使用的是STM32F103R8T6單片機(jī)，具有64 kB程序存儲空間，20 kB程序運(yùn)行SRAM，內(nèi)置3個通用定時器、49個通用IO口、多種通訊接口.

2 熱量表低成本測溫方案的電路

本方案基本原理是利用RC充放電的時間來實(shí)現(xiàn)的.通過不同阻值電阻對同一個電容充電，其需要的充電時間是不同的，使用 STM32F103R8T6單片機(jī)內(nèi)置的16位定時器，采集電容充電時間，與參考電阻對電容的充電時間對比，可以得出測量電阻的阻值，再通過查詢PT1000的分度表來實(shí)現(xiàn)測溫功能[2].在元器件上僅采用2個參考電阻、1個充電電容、2個PT1000溫度傳感器，因此屬于低成本的測溫方案.測溫電路原理圖如圖1所示.

測溫部分電路需要4路溫度測量，其中2路(R_PT1、R_PT2)作為熱量表實(shí)際測量使用的進(jìn)水溫度和回水溫度電阻，選用德國九茂PT1000熱電阻.當(dāng)水溫為0 ℃時，PT1000阻值約為100 Ω；當(dāng)水溫為100 ℃時，PT1000阻值約為1 400 Ω.2路作為測量溫度使用的參考電阻(R_ref1、R_ref2)，選擇低溫漂1%精度的1 000 Ω和1 400 Ω作為參考電阻.充電電容選擇TDK公司的低溫漂1%精度的COG電容(C_ref)，在這里，選用電容的容值為1 μF.另外需要1路參考電壓(PA5)，根據(jù)STM32單片機(jī)的特點(diǎn)，這里使用單片機(jī)的1個I/O口中斷來確定電容充電時間定時器的啟動與停止.在對電容充電之前，設(shè)置為上升沿中斷，禁止中斷；對電容充電開始后，啟動定時器，允許中斷，當(dāng)PA5檢測到上升沿中斷后，停止定時器，這樣通過1個I/O口的中斷，就能確定出充電的時間，從而進(jìn)行熱量計量.

圖1 測溫電路原理圖

3 熱量表低成本測溫方案流程的實(shí)現(xiàn)

測溫流程如下：

1) STM32單片機(jī)PA1、PA2、PA3、PA4、PA5設(shè)定為輸出低電平，使電容C_ref放電完成.

2) PA2、PA3、PA4設(shè)定為高阻態(tài)，PA5設(shè)定為上升沿中斷觸發(fā).

3) 定時器TIM2設(shè)置為增計數(shù)模式.

4) A1設(shè)置為輸出高電平，啟動TIM2定時器.

5) 當(dāng)PA5端口檢測到中斷后，停止計數(shù)器，獲取R_ref1充電時間.

6) STM32單片機(jī)PA1、PA2、PA3、PA4、PA5設(shè)定為輸出低電平，使電容C_ref放電完成.

7) PA1、PA3、PA4設(shè)定為高阻態(tài)，PA5設(shè)定為上升沿中斷觸發(fā).

8) 定時器TIM2設(shè)置為增計數(shù)模式.

9) PA2設(shè)置為輸出高電平，啟動TIM2定時器.

10) 當(dāng)PA5端口檢測到中斷后，停止計數(shù)器，獲取R_PT1充電時間.

11) STM32單片機(jī)PA1、PA2、PA3、PA4、PA5設(shè)定為輸出低電平，使電容C_ref放電完成.

12) PA1、PA2、PA4設(shè)定為高阻態(tài)，PA5設(shè)定為上升沿中斷觸發(fā).

13) 定時器TIM2設(shè)置為增計數(shù)模式.

14) PA3設(shè)置為輸出高電平，啟動TIM2定時器.

15) 當(dāng)PA5端口檢測到中斷后，停止計數(shù)器，獲取R_PT2充電時間.

16) STM32單片機(jī)PA1、PA2、PA3、PA4、PA5設(shè)定為輸出低電平，使電容C_ref放電完成.

17) PA1、PA2、PA3設(shè)定為高阻態(tài)，PA5設(shè)定為上升沿中斷觸發(fā).

18) 定時器TIM2設(shè)置為增計數(shù)模式.

19) PA4設(shè)置為輸出高電平，啟動TIM2定時器.

20) 當(dāng)PA5端口檢測到中斷后，停止計數(shù)器，獲取R_ref2充電時間.

通過上述步驟，可以獲得每個電阻對電容的充電時間.根據(jù)2個參考電阻的充電時間以及參考電阻的阻值，可以獲得時間與阻值的對應(yīng)關(guān)系[5].假設(shè)R_ref1的充電時間為χ s，R_ref2的充電時間為y s，則可以獲得如圖2所示的充電時間與阻值的對應(yīng)關(guān)系圖.

圖2 充電時間與阻值對應(yīng)關(guān)系圖

根據(jù)等比定理，假設(shè)現(xiàn)有外部測量電阻對電容的充電時間為z，則z對應(yīng)的阻值R_PT可以通過

計算獲得.由式(1)可以推導(dǎo)出測溫電阻R_PT與充電時間以及參考電阻阻值的關(guān)系為

通過式(2)可獲得要測量電阻的阻值，進(jìn)而通過查表獲得對應(yīng)的溫度值.

4 熱量表低成本測溫方案程序的實(shí)現(xiàn)

5 結(jié)論

詳細(xì)介紹了基于STM32單片機(jī)的低成本測溫方案的硬件電路、測溫流程以及測溫程序.在應(yīng)用中為了提高測量的準(zhǔn)確度，2個參考電阻以及充電電容務(wù)必選用低溫漂高精度的器件，推薦選用TDK或村田廠家的產(chǎn)品.本方案成本僅用2個參考電阻和1個電容，實(shí)現(xiàn)了熱量表需要完成的溫度測量，不僅大大降低了熱量表的成本，而且器件采購方便.

[1] 張洋. 原子教你玩STM32(寄存器版)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：140-177.

[2] 廖義奎. Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：中國電力出版社，2012：255-324.

[3] 吳文光，周清華. 利用函數(shù)參數(shù)和返回值提高嵌入式軟件質(zhì)量[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(1)：31-33.

(責(zé)任編輯：沈鳳英)

Low Cost Temperature Measurement Circuit Design Based on STM32 Microcontroller

FAN Xue-qin
(Technology Department，Dandong Machinery Ltd Co., Dandong 118000，China)

This design uses common resistors and capacitor elements according to the RC charge-discharge principle，applying the 16-bit timer in STM32 MCU to measure charging time.The low temperature cost measurement of Heat-meter is achieved by the resistor value measured which is obtained through the calculation of the matching relationship between charging time and resistor value.

STM32 microcontroller；heat-meter；low-cost；temperature measurement

TP368.1

A

1008-5475(2014)02-0014-04

2014-03-02；

2014-04-01

范雪琴(1966-)，女，蒙古族，遼寧丹東人，工程師，主要從事單片機(jī)及其應(yīng)用研究.