基于N型熱電偶的智能化多通道測(cè)溫系統(tǒng)

摘要:針對(duì)冶金、機(jī)械制造等工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)溫度測(cè)試的需求,設(shè)計(jì)了一種基于N型熱電偶測(cè)溫原理的精度高多通道的測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32為控制核心,ADS1148作為采集芯片,并通過WiFi處理模塊Esp8266實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的.傳送,使得用戶可以遠(yuǎn)距離隨時(shí)查看和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)運(yùn)用曲線擬合的最小二乘法對(duì)不同的傳感器進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償,有效地提高了測(cè)溫精度,避免了硬件調(diào)節(jié)的困難。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)的測(cè)溫精度可以達(dá)到士0.1℃,且體積小、性能
可靠,在工業(yè)生產(chǎn)具有良好的應(yīng)用前景。
0引言
　　當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在高低溫環(huán)境中時(shí),溫度控制一直是人們所關(guān)心的問題,隨著技術(shù)更迭，溫度控制系統(tǒng)技術(shù)朝著更智能、高安全、功能多樣等方面發(fā)展。K型熱電偶是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件,具有價(jià)格便宜、測(cè)溫范圍廣、抗氧化性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但是K型熱電偶在250℃~650℃中由于短程“有序無序”轉(zhuǎn)換會(huì)造成測(cè)量誤差，以及在150℃~260℃范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變引起熱電勢(shì)活動(dòng)。目前國內(nèi)外傳統(tǒng)的測(cè)溫器件多是采用RS485總線有線傳輸,受距離影響較大。許謹(jǐn)?shù)戎惶岢鲆环N數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),多個(gè)前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備與主機(jī)通過RS485總線遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰但電路較復(fù)雜且成本較高。傳感器則大部分采用K型熱電偶印],而N型熱電偶可以抑制磁性轉(zhuǎn)變。主控部分大多使用單片機(jī)STC89C52,荊海霞等可以STC89C52為核心設(shè)計(jì)了一種測(cè)溫系統(tǒng),雖然保證了小部分成本,但是其I/O口功能少且處理速度較慢。基于此,本文設(shè)計(jì)了一-種基于N型熱電偶的精度高智能化測(cè)溫系統(tǒng),該系統(tǒng)包括上下位機(jī)的軟硬件模塊設(shè)計(jì)，上位機(jī)與下位機(jī)之間通信采用Esp8266WiFi模塊,使監(jiān)測(cè)溫度時(shí)受距離因素影響較小，方便實(shí)用。
1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)使用STM32F103VET6對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其內(nèi)核是Cortex-M3,32位ARM微控制器。溫度信號(hào)采集使用4片TI的16位精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS1148芯片，STM32F103VET6與ADS1148之間采用串行外部設(shè)備接口(serialperipheralinterface,SPI)總線進(jìn)行通信,與上位機(jī)之間采用Esp8266WiFi通信模塊,傳送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　由圖1可知,ADS1148將PT100和熱電偶的模數(shù)轉(zhuǎn)換值通過SPI傳送給主控芯片STM32F103VET6。在主控芯片讀取冷端補(bǔ)償溫度和自身ADC芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果后,通過Esp8266WiFi模塊將溫度上傳到上位機(jī)顯示。
2硬件設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)
2.1SPI總線協(xié)議
　　SPI通信總線,使雙向的數(shù)據(jù)進(jìn)行瞬時(shí)的信號(hào)傳輸,同步高速”],具有傳送速率快、通信簡單等優(yōu)點(diǎn)。它以主從方式工作，允許掛接多個(gè)ADC芯片。它的接口必須包含設(shè)備選擇、時(shí)鐘及串行數(shù)據(jù)輸入/輸出等信號(hào)線。本系統(tǒng)采用一主多從的四線制SPI,主控與ADS1148通信采用標(biāo)準(zhǔn)的串行接口。當(dāng)SPI收到激活信號(hào)后,通信才會(huì)開始。
2.2ADS1148
　　ADS1148是高度集成的精密16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有非獨(dú)立,低噪聲,可編程增益放大器(PGA),以及單周期建立數(shù)字濾波器的精密delta-sigmaADC和內(nèi)部振蕩器。并且ADS1148對(duì)外供給10mA輸出容量的內(nèi)置電壓基準(zhǔn)，以及兩個(gè)匹配的可編程電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。ADS1148為溫度傳感器應(yīng)用提供完整的前端解決方案,包括熱電偶，熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器(RTD)。ADS1148具有輸出速率高，自我和系統(tǒng)校準(zhǔn),通用的I/O口以及與SPI兼容的串行接口等特性。ADS1148與外部設(shè)備的接法如圖2所示。

　　ADS1148的外部器件中,RTD對(duì)應(yīng)于PT100傳感器，R.eaD為連接PT100傳感器的導(dǎo)線等效電阻,RBIAs選用的是精度高、低溫漂的精密電阻。在溫度傳感器接入ADS1148之前,兩者之間需要添加1個(gè)前置濾波器來消除噪聲,因?yàn)闇囟刃盘?hào)是一個(gè)低頻信號(hào)。低通濾波器主要由兩個(gè)匹配的電阻,1個(gè)差分電容,兩個(gè)共模電容組成。片上參考電壓輸人管腳為REFP0和REFN0,參考電壓值為:
V_REF.=2IDAC×R_BIAS(l)
運(yùn)放輸入電壓值為:
VAIN0=IDACX(R_LEAD十RTD)十VN(2)
VAIN1=IDACXR_LEAD十VN(3)
式中:VN為PT100兩線段的電勢(shì)值,計(jì)算公式為:
VIN=VAIN0-VAIN1(4)
當(dāng)RTD隨溫度變化時(shí),對(duì)應(yīng)VIN也會(huì)變化:
VIN=VAIN0-VAIN1=IDACXRTD(5)
可以看出,運(yùn)放的差分輸人電壓值與導(dǎo)線的電阻值大小無關(guān)。
2.3熱電偶測(cè)溫單元設(shè)計(jì)
　　作為結(jié)構(gòu)簡單的測(cè)溫元件,熱電偶原理”主要是由2種不同材料的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的兩端進(jìn)行連接,并且使2個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度差,此時(shí)閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生電流,即2個(gè)端點(diǎn)之間存在熱動(dòng)勢(shì)。通常工作的一端溫度較高，自由端(冷端)溫度低,其溫度一般是恒定的。根據(jù)中間溫度定律得出:

　　式中:E_AB(t,0)為補(bǔ)償后的熱電偶電動(dòng)勢(shì);E_AB(t,to)為通過測(cè)量得出的熱電勢(shì);EAB(to,0)為自由端溫度to相對(duì)0℃時(shí)的熱電勢(shì)。
　　因此,本系統(tǒng)采用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度,通過查熱電偶分度表的方式得到電壓。將測(cè)得的溫度值通過查表轉(zhuǎn)化為電壓值,最終的通道電壓通過相加不同的電壓值得到，即熱電偶自由端和ADS1148測(cè)得的電壓值,最后再次查表,將最終電壓值轉(zhuǎn)換為最終的通道溫度E8-10]。溫度傳感器DS18B20與主控MCU之間無需外部元件僅用一條總線就能完成通信。其測(cè)溫范圍為-55到~125℃。若將其放置在參考結(jié)合點(diǎn),測(cè)得在溫度-10℃~85℃之內(nèi),測(cè)溫精度為±0.5℃。熱電偶測(cè)溫流程如圖3所示。

2.4WiFi通信(Esp8266)
　　本設(shè)計(jì)采用Esp8266WiFi處理模塊進(jìn)行通信,實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù),用戶可以不受距離限制就能對(duì)采集板進(jìn)行控制及環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。Esp8266WiFi模塊支持多路TCP客戶連接,它內(nèi)部有TCP/IP的協(xié)議線,內(nèi)置32位的MCU,也可以用作處理器,Esp8266WiFi模塊支持3種工作模式，分別是STA、AP以及STA+AP。本設(shè)計(jì)采用的是STA模式,連接到熱點(diǎn)后將Esp8266WiFi處理模塊與主控板MCU通過串口連接,一-般建立連接后會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)默認(rèn)IP1921684.2。之后將測(cè)溫采集終端采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器,再由路由器傳送到后臺(tái)顯示到上位機(jī)界面供用戶查看。STA模式下的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1軟件流程設(shè)計(jì)
　　多通道測(cè)溫系統(tǒng)的軟件主要完成對(duì)DS18B20輸入端的溫度測(cè)量、各通道電壓的測(cè)量之后,分析數(shù)據(jù)并將通道電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值送人終端顯示。程序流程如圖5所示。

　　由于熱電偶是根據(jù)兩端結(jié)合點(diǎn)溫度差來測(cè)量溫度的原理,為了減小誤差,獲取自由端溫度后并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。這樣才能得到最終的測(cè)量溫度，減少誤差。為了減少主控的負(fù)荷和功耗,可以在通道中進(jìn)行電流測(cè)量,若通道回路中電流大于一定值時(shí),那么就可以測(cè)量通道中的電壓值;反之，則認(rèn)為通道開路,無動(dòng)作。
3.2標(biāo)定補(bǔ)償及最小二乘
　　因?yàn)镈S18B20的測(cè)量精度僅有±0.5℃,為了提升系統(tǒng)精度,采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，縮小傳感器的誤差。采用精密數(shù)字溫度計(jì)的測(cè)量值作為實(shí)際溫度，與溫度傳感器的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。如圖6所示,精度為0.01℃精密數(shù)字溫度計(jì)與DS18B20在0℃~50℃內(nèi)所測(cè)得的10組溫度值。以最小二次多項(xiàng)式作為目標(biāo)函數(shù),表達(dá)式為:

　　式中:y為實(shí)際溫度值;x為傳感器所測(cè)得的溫度值;ɑ。~ɑ2均為待定系數(shù)。
　　由最小二乘多項(xiàng)式擬合原理[15]可知:

　　將所測(cè)得的數(shù)據(jù)代人式(8),得出待定系數(shù)的值,則可得到最終的擬合表達(dá)式:

　　式中:y為標(biāo)定補(bǔ)償后的溫度值,單位為℃;x為傳感器所測(cè)得的溫度值,單位為℃;
　　經(jīng)過擬合之后,實(shí)際溫度與所測(cè)溫度的值如圖7所示。通過比較結(jié)果可知,所測(cè)溫度值經(jīng)過二次擬合之后,精度明顯提高，與實(shí)際溫度值的中心點(diǎn)基本重合，擬合效果較好。
　　同理,由于PT100鉑電阻的非線性特征,為了提高裝置精度,在一50℃~250℃測(cè)溫范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行分段線性建模,表達(dá)式分別為:

　　式中:y代表擬合溫度;x代表阻值。通過理論計(jì)算,最大誤差分別一0。09623℃,0.098896℃以及0.094516℃，誤差均在±0.1℃以內(nèi)。

4測(cè)試結(jié)果
　　為比較試驗(yàn)結(jié)果,將恒溫箱初始溫度設(shè)置為一50℃，PT100與N型熱電偶放置在恒溫箱內(nèi),每隔10min恒溫箱溫度變化--次,每次變化40℃,等待恒溫箱溫度達(dá)到設(shè)定值后開始測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　結(jié)果表明,溫度傳感器PT100和N型熱電偶的測(cè)量誤.差均達(dá)到系統(tǒng)精度0.1級(jí)的要求。鉑電阻PT100的測(cè)量誤差主要是因?yàn)閭鞲衅髯陨矸蔷€性誤差、雙匹配電流源誤差和ADS1148測(cè)量誤差造成的,而N型熱電偶的測(cè)量誤差主要來源于DS18B20自由端測(cè)量誤差、傳感器非線性誤差和ADS1148測(cè)量誤差。本系統(tǒng)的上位機(jī)使用C#設(shè)計(jì)。上位機(jī)界面如圖8所示,用戶通過上位機(jī)設(shè)定區(qū)靈活選擇每一通道,確定后在顯示區(qū)就可以顯示出當(dāng)前通道的溫度值,誤差保持在±0.1℃以內(nèi),滿足精度要求。

5結(jié)論
　　本文介紹了基于ADS1148芯片的N型熱電偶的多通道測(cè)溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，上下位機(jī)使用Csp8266WiFi模塊通信,使用戶監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以不受距離限制。并采用多種方式提高系統(tǒng)精度,包括查表、濾波以及使用最小二乘法對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,最終系統(tǒng)精度均控制在士0.1℃以內(nèi)。而且系統(tǒng)裝置體積小便于攜帶,后期可以增設(shè)通道，并添加不同的熱電偶,也可以增加4~20mA電流[16溫濕度傳感器用以測(cè)濕度、壓力等豐富系統(tǒng)功能，以便更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)要求。