數(shù)字溫控器的高精度測(cè)溫設(shè)計(jì)

摘？要：選用高精度測(cè)溫芯片（Si7051）對(duì)熱電偶做冷端補(bǔ)償；為做溫度？電壓的轉(zhuǎn)換，在熱電偶分度表中做高密度雙向線性插值；用三線Pt100做動(dòng)肩構(gòu)成不平衡電阻橋來(lái)檢測(cè)熱電阻值；通過解析法求解Pt100的一元四次熱電阻方程得到溫度；使用高精度Σ？—且有易驅(qū)動(dòng)功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；選用ARM Cortex-M3結(jié)構(gòu)高性能32位微處理器STM32F103。綜合這些技術(shù)，能使溫控器測(cè)溫分辨率達(dá)到0.001 C °。對(duì)以上相關(guān)內(nèi)容的誤差分析以及在STM32F103上的編程實(shí)現(xiàn)是本文論述的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫控器；高精度測(cè)溫；熱電偶雙向線性插值；冷端補(bǔ)償；三線Pt100電阻電橋；誤差分析；一元四次方熱電阻方程求解；STM32F103；LTC2486；算法與編程

0 引言

1 高精度測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1所示是比較常規(guī)的設(shè)計(jì)，相對(duì)簡(jiǎn)單。沒有了專門的信號(hào)放大、通道切換電路，濾波電路也是最簡(jiǎn)單的一階無(wú)源RC。

1.2 溫度傳感器

通常，溫控器要求配接2大類傳感器，熱電偶（TC）和熱電阻（RTD）。

1.4 ADC的選擇和使用

選用LTC2486（簡(jiǎn)稱2486），主要是以下4個(gè)原因[1]。

①綜合分辨率高，誤差小。名義上是16位，實(shí)則17位（包含符號(hào)位）的分辨率。理想情況下，可分辨1μV 電壓。

②有2個(gè)差分通道，正好滿足一般溫控器對(duì)熱電偶和Pt100的輸入需求，不需外加切換電路（會(huì)引入噪聲誤差）。

3）與STM32F103（簡(jiǎn)稱F103）的接口

通過四線SPI與F103接口。

①雙向方式，F(xiàn)103為主，2486為從；

②F103用的是3.3V 工作電壓，而2486用5V ，中間要有電平轉(zhuǎn)換。為此，F(xiàn)103的出信號(hào)（MOSI、SCK、NSS）應(yīng)設(shè)置為開路（OD），上拉電阻為（3.3～ 5 1）k. ？；而2486的輸出信號(hào)SDO則應(yīng)通過電阻分壓到3.3 V后連到F103的MISO。如圖2所示。

2 編程

在IAR 7.20.5.624版下進(jìn)行。用最新在2011年發(fā)布的3.5.0版[9]庫(kù)函數(shù)。

2.1 F103與LT C2486接口編程

2.1.1 SPI初始化函數(shù)

1）程序

void SPI2_Init（void）

{

參照庫(kù)函數(shù)編程。只是要注意設(shè)置PB13，PB15線為復(fù)用漏極開路輸出。此方式是為了在F103與2486間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

1）算法

讀取數(shù)據(jù)前，先要對(duì)2486的工作方式進(jìn)行設(shè)置（寫）。不同要求，設(shè)置也不同。這里僅是一例。注意缺省值的使用。

①通常選擇2486的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為6次/s。也可選12次/s，但這會(huì)使精度降低[1]，一般不選用。

②選擇轉(zhuǎn)換通道。在4個(gè)單端或2個(gè)差分通道作選擇。

③選擇GAIN值。根據(jù)1.4.1所述，進(jìn)行不同選擇。

在此之后，就可以讀取數(shù)據(jù)了。

④2486在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)會(huì)在SDO引腳輸出1 bit低電平，它可作為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志（即EOC信號(hào)）來(lái)判斷，一般用查詢方式。

⑤2486每次轉(zhuǎn)換后會(huì)輸出3個(gè)8位字節(jié)數(shù)據(jù)。每個(gè)輸出字節(jié)與1個(gè)寫入字節(jié)數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。所以，正確的時(shí)序是：即先寫1個(gè)字節(jié)，之后緊跟著讀1個(gè)字節(jié)；再寫1個(gè)字節(jié)，之后再讀1個(gè)字節(jié)，反復(fù)進(jìn)行。如果要讀的字節(jié)數(shù)多于有效的寫字節(jié)，用寫0數(shù)據(jù)代替（空寫）。

說明：也可以用其他方法求解此方程，如數(shù)值計(jì)算中牛頓或二分迭代法[12]。但此法更易上手。

2）程序（略）

3 溫控器測(cè)溫精度分析及數(shù)據(jù)記錄

3.1 精度分析

測(cè)量精度通常會(huì)小于分辨率，也就是說高分辨率是高精度的基礎(chǔ)。

3.1.1 熱電偶

3.2 數(shù)據(jù)記錄

圖4顯示的是STC溫控器測(cè)試的環(huán)境溫度時(shí)所得，值為20.693 C °。表1、表2則是該溫控器連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)記錄，一個(gè)用Pt100，另一個(gè)是E型熱電偶。這些值有時(shí)能保持～10 ～13 s，一般～4 ～ 5 s，表明該溫控器的Pt100能分辨0.001 C °，熱電偶能分辨0.014 C °。實(shí)現(xiàn)了高精度。

測(cè)試說明：測(cè)試時(shí)，為保持環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定，要減少空氣流動(dòng)，減少熱源。并在溫度穩(wěn)定后（約10 ～15 min）開始測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

溫控器的高精度溫度測(cè)控任重道遠(yuǎn)，探索包括四線Pt100使用在內(nèi)的更新的測(cè)溫技術(shù)來(lái)提高測(cè)溫精度將是本實(shí)驗(yàn)室的下一個(gè)前行目標(biāo)。

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