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B恳誉「戳2邕慝度测温设计mentDesignofDigitalTemperatureController南昌温度测控实验室,南昌330002〕IIIIII摘要选用高精度测温芯片〔si7〔〕5i〕对.高密度双向线性插值;用三线Ptio〔〕做动;热电偶做冷端补偿;为做温度0电压的转换,在热电偶分度我巾做炽热电阻方程得到温度;使用高精声£了构成不平衡电阻桥来检测热电阻值;通过解析法求MPtl〔M〕的■元叫构高性能32位微处理器STM32F103*M且有易驱动功能的模数转换器〔ADC〕;选用ARMCortexM3站误差分析以及在STM32F103上的编程兰术能使温控器测温分辨率到达・1°C.对以上相关内容的关健词温控器;高精度测温;敖电偶双述的重点方热电阻方程求解;STM32F103;LTC248盘矣;端补偿三线°°电阻电桥;误差分析;一元四次0引言不少温控器仍沿用传统的测温电路结构传感器->滤波T前置放大1T传感器类型切换T前置放大2->再滤波TADCTMCU处理而且ADC通常集成在MCU中这不仅分辨率较低〔多为12位或以下〕参考电源又多不可变此种结构元件多,噪声大,不适合高精度测控以热电偶为例,在0-661°C的量程内,分辨率很难超过
0.1°Co精度也难超过.5%|4〔14是温度的绝对值温度,单位是°C〕O近几年,•许多IC公司针对热电偶这样的微伏级的弱传感器信号,将:述传.测温结构集成到_起,推出了高分辨率〔16位、2°位和24位〕,且有多通道的ADC如LTC2486⑴这为温控器的高精度测温设计提供了一种好的选择不平衡i也阳桥〔电压伯与阶rc低lUflL也Wi阶RC低通诚波熟WHIM0拇位ADCLTC2486为分通道1偿测温STM32F103】高*M度溺温延算.PtlOOnr分辨到
0.001C热血偶可分浙到
0.014P1高精度测温电路设计L1电路结构澄有了专图1所示是比拟常规的设比,蠢也是最简单的门的信号放大、通道切换电路,滤波电路也~阶无源RC〞温度传感器/即2大类传感器热电偶E通常,温控器要求配援2K大和热电阻〔RTD〕oIII图1温控器高精度测温电路结构
1.
2.1热电偶最新的热电偶国际标准是2021年版的IEC60584-12021与之等同〔IDT〕的国家标准是GB/T
1639.I-2021^0标准把热电偶分成多种型号〔E、K、J等〕,其中E型灵敏度最高⑶它适合做相对高精度测温从高精度的视角,应选购1级误差〔
0.004x|f|,是-40°C-800°C温度〕⑷、护套和结点隔离⑶但要和屏蔽层相连的E型,以便差分连接并减少噪声
1.
2.2RTD在温控器中,这一般指PtlOO其现行的国际标准是IEC60751:2021等同的国家标准是GB/T3O121—2021国PtlOO热电阻公式如下⑸R=[1+应++C〔f-100°C〕fl-200GW0〔1〕MQ+zff+BF〕当0W/W850〔2〕其中,的单位是C;K是PtlOO的阻值;是PtlOO匚二原向为温度测量与控制E-mail:wcs顼3@163Zee*eepw
2021.860DesignApplication设计应用在0〔2时的电阻〔100〕国〔下同〕PtIOO的误差〔或称允差〕等级分4级⑶,这里选择最高的AA级〔±〔
0.1+
0.0017〕|f|〔/在-50〜250〔?〕或A级〔次高级,±〔
0.15+
0.002〕k|〕,/在-100-450°C〕013检测温度信号
13.1热电偶1〕低通滤波由于是电压信号,经过简单的一阶RC低通滤波就可以和LTC2486的差分输入直连【*CH2-CH3U.K〕如图2所示滤波器的截止频率’fc1-
111.
3.2PtIOO需■把非电量的电,变成唱底值偈Ml洲的引线误差,不能消除,测温偏郊大〔E5S
5、,阳为]〜|以、〕o三线moo不平衡H捆林如阕n邸图2〕所示m是引探电阻;用早IWkiWlMhRt=R{}+MA表示相的曲温既变化W,自nw乙是桥路电源;J;是不平衡的桥压三线PtIOO电桥对引线误差您可控的在本温控器设计中测温范闱依情度麻仇介n〔-68-68〕°C分辨率为
0.00UC;\
2、〔6X、466〕P分辨率为
0.〔〕07<但以下的设计论述中,仅以⑴为例、、STM32F103J==t|SP[2_MOSIsFn^scKSPI2卞ESSSPI2MISO~R105GND.10KC304RIOOg^KRioih680]kWgndR84Vcb24KJ~膏心IC33I104-t征AGNDPtl00-3wREF-SD1REF+SCKVcc/CSCH3SDOCH2GNDCHICOMCHO「LTC2486R8624KIR89110KC62:勤yp14_C53Vrefl工fuVrcOC611Q617TC・;上—lore-遂v/新C63R86Uh10411TC・R86渣10K104图2温度检测及ADC电路图2〕冷端〔又称参比端W〕补偿热电偶测温要解决一个冷端补偿问题具体做法是:用高精度测温芯片测量TC的冷端温度八国由于温度〞电压的非完全线性关系,须在E型分度表图,用线性插值算法,把心.复原成电压匕⑶把弓加到TC的输出电压七上,作为TC的输出电压一局部测温芯片除用Si7051外,还可选用TMP275〔分辨率可达
0.065°C〕和ADT7410〔
0.0078°C〕3〕输出电压范围对E型热电偶,在-68〜661也测温范围,查分度表闾,对应的电压〔匕〕范围是-
3.711〜
49.997mV为提高分辨率,可以缩小量程并加大GAINo氏和GAIN的定义见
1.4图2中,热电偶符号中的“M〞表示屏蔽端工1R2nR3u门HUGND图3三线PtIOO电阻桥分析横型
13.
2.1电桥设计1〕电阻选择按2斜*长的时°°引线电阻25Q尸m以内要求,约为
2.25Q再按式〔4〕9倍以上以减少引线皿所以取控制薰看管耄*大于5以实际可取七=〔1〜2〕niA;否妁影响电桥测阻灵敏度,电阻越大,噪声越大间HP—小越好;从这个角度看,电阻越电桥在NC应保持平衡卜珥,Rf小Q/-°〕,要求5考虑匕用TL431产生防山、出⑶下〕综合上面4点,所以选取VL5V〔见就有、^=2400Qo结合式〔3〕电子产品世界〕0的•约»〔或邛且;正负;二档〕°c〕为例凡~氏用精度为顷%、温度系数为5xc的邮电阻〔批量时约
0.45元/个〕这个要求很重要2〕L选择及桥压输出范围选择°由式〔9〕可知,乙的选择与测温范围〔映〕、轿压匕范围、桥路电阻选择有关在测量范围J当侦=
26.31Q时,假设选取P;=*50mV〔4就是GAIN〕此时,依据式〔9〕妇=5000mV再由式〔9〕可得在-68°C时,Vh=-
52.2mV所以*的范围是〔-
52.2~50〕mV桥压K也经低通滤波〔%、%、26和@3〕后进入ADC的差分通道〔CH0-CHIL=K〕
1.
3.
2.2三线电桥误差分析㈣先假设七=,2=上=厂=°,并依据式〔6〕,这时桥压为保证测温分辨率高于
0.001要求式〔4b〕中〔―——〕<
0.001〔4c〕〔R2+R3〕这在实际中是可以做到的这样,式〔4a〕中可取于是有尸〔人2-1〕一这时相对误差—竺*二-斌_险〔5〕〔6〕上一〔+/〕〔】+%+M〕「而当引线电阻ri=r2=r3=r^0也考虑式⑶,这时桥压式〔6〕说明,
①£可正可负因为A/、〔2-1〕可正可员;
②A/越小,即温度越接近0°C相对误差回越大;
③依据式〔3a〕£=0上述
①,
②两点和一般的感性认识-致现用实例说明如下如前述,2m长时,引线电阻尸=
0.225,假设M=
0.195〔对应温度
0.5°C〕
[5]又让=240202=2400,那么由式〔3〕-r〔R7一R〕-
0.225x〔2400-2402〕
9.6£==4a.225Q,4〕要所以取1A国以灵敏度,h电阻越〔3〕.
2.5V〔见i合式〔3〕*_〔R|+0+M+尸〕〔2+氏+,〕其中,可以假设〔4〕:那么广家相加项里的「就可以忽略,胃有o伽2+沅顽顽还+助」〔口./+A/六也七也—-■+泌4=尸〔+K+瑟++〕再对七考虑另2个因素〔%+〕〔品土也t■四1和〔2+r°〕+mI可得4b3a\RRZ相对误差很小,再减小综合上述,这个
0.195x240010000而且温度高于
0.5〔2后,误差还会逐渐只要满足式〔3a〕,•就能把引线电阻尸影响降到桔6以内甚至更小〔根据实际需求设计〕而参考文献[io]指出的分析条件===与此有差异,是否变为式〔3a〕更好呢?要特别注意的是,如果三线电阻不等〔即弓力三H弓,这在实际中是存在的〕那么会引入误差,此时,这里的三线电路也不能完好解决问题所以在购置时要向供给商提出三线相等的要求
1.4ADC的选择和使用选用LTC2486〔简称2486〕主要是以下4个原因虬综合分辨率高,误差小名义上是16位,实那么17位〔包含符号位〕的分辨率理想情况下,可分辨1pV电压有2个差分通道,正好满足一般温控器对热电偶和PtlOO的输入需求,不需外加切换电路〔会引入噪声误差〕DesignApplicationS号调理3有内置的可祭程增益放大器PGAI
256.分8圾
④噪声低,误差小
1.
4.1ADC应用电路设计LTC2486与传感器、STM32FIO3的接口电路如图21Icc和REF+REF-电压设计
①考虑到2486耗电低
0.8mW和精度,Jb选择由参考电压供电,TL431经SV产生篮出iZZiy;10mA⑵定义ADC_Data为转换数据;GAIN为内部增益值;、是参考电压;Fs是满度电压,给=0・
5、次—般忽略转换误差偏移、非线性等,转换数据与匕成反比,即ADC_Data=峥泮七邪这样,I、越小,LSB能分辫的电压越小但P也不能太小,不要小于400mV闵这里取REF+=400mV82486的参考正电源REF+用较高精度的芯片
0.5%LT6650产生该芯片在谕入5V时,可调输出O.4~4Vo
④REF-接地%=REF+-REF-=400mVFs==200mVo2GAIN的选取为实现满度转换正的转换数据到达0x10000对堪偶,按
1.
3.1节,GAIN=—=
49.
99749.997取4对PtlOO按
1.
3.2节,GAIN=^=4O注意GAIN取值越大,噪声越大⑴,ADC_Data值波动越大GAIN的选择可通过控制器的按键来实现3与STM32F103简称F103的接口通过四线SPI与F103接口双向方式,F103为主,2486为从;F103用的是
3.3VI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〜
5.1k;而2486的输出信号SDO那么应通过电阻分压到
3.3V后连到F103的MISOo如图2所示2蝙程在1AR
7.
20.
5.624版下进行用最新在2021年发布的330版回库函数F103与LTC2486接口编程SPIM始化函散1程序voidSP12_Initvoid参照库函数编程只是要注意设置PB13PB15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GPIO_InitStructure.GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIOModc=GPIOModeAFOD;212向2486写一个字肖数据瞬数1程序voidSPI2_reg__writeu8data存放薰出:DR5;〃把数据放到SPQ□的数据^^S-GetFlagStatusSPI2SPII2S:LAG_RXNEpreset;一-2程序注桂语句
②判断与一个字甘在spi和的库函酎云数据是否成功类似的语句这里不多做介绍亳It有很多,必须理解限于篇幅,直接从SPI2口的明拍敷据即S/72TD奇存器读出即可不用函数2•侦读取2486的转捡箫符号字节变量1算法蜗换蜘洒敬读取数据前,先琴混藉°不同要求,设曾了偈的工作方式进行设置蠕值的使用也不鼠这里仅是-例注意
①通常选择选皿,但这Y霸速率为6次也囱_屿J般不选用电子产品世界/选择转换通道5单端疆个差分通道作选择GAIN值根据⑷所述,诳任此之后,就可以读取数据了X同选择£2486在转换结束时会在SD引脚输出顷低电平,它可作为转换结束标志〔即EOC信号〕来判断书用查询方式152486母次转换后会输出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,反复进行如果要渎的字节数多于有效的写字节,用写0数据代替〔空写〕2〕程序VoidGet2486Data〔void〕u8bcd;LTC2480_CS_LOW;Delay_us30;whileGPIOB-IDR0x4000!=0SPI2_reg_write0xa0;TDelay_us⑸;b=SPI2-DR;SPI2_reg__write0x81;Delay_us⑸;®c=SPI2-DR;⑫SPI2_reg_write0x0;Delay_us5;⑭14d=SPI2-DR;Delay_us5■⑮15LTC2480_CS_HIGH;}注释彼g伽开始彼邮语句
③是让2486的片:待时停牌定下向.句
④是延时30微妙,等g束句
⑤边等待边判断转换气,陟脾分通句
⑥是向2486写一个气云字节.创含位.句
⑧是读一个字节数据鬟.网IN〞•句
⑨是向2486写第一个一句10是读第二个字节数据是数据的bitll~bit4句⑪是向24«6写第三个字节一空操作句⑰是读第三个字节数据是数据的bit3~bitO句⑮让2486的片选=高,结束读数据
2.
1.5复原ADC输入电压伉心1〕算法对热电偶_ADCDataFsyi\==—x—655364对Pt100_ADC_DataFs==Xo0655364〔2〕程序〔略〕
2.2热电偶测温编程
2.
2.1把热电偶冷端补偿温度复原到电压程序1〕算法参见
1.
3.12〕o具体算法是在〔-6868〕°C〔冷端所处温度通常为环境温度〕,分12段进行线性插值,10P为一个间隔〔取10的整数倍为分割点〕;设L、匕、
4、匕、匚、弓为float〔浮点〕变・,分别表示每段的首点温度;首点电压;末点温度;末点电压;补偿温度;补偿电压为保证插值线不间断,前一段的末点值要等于后一段首点值调用函数CalculateTC_voltege〔floatrhfloatf.floatyfloatrfloatf〕计11补偿电压值r_些丑出0F〕9
⑤把4加到热电偶的输出电压〔I;〕中,即-n外♦均•2〕程序〔编〕
2.
2.2山电仰:HFIU也的科序.在〔~6H*66I〕T的典温冠幽内.仍以10,、为间距在分度表中做燃性HM・.I〕■去类似上面*
2.
1.1-1〕・法・的t«性播01・法.不同的■■入■地压姑A^S〔1〕.⑵.■HDesignApplication衡十应用e•炉村EXIakulatvl\temjKnuutvthxul\.tZi]、[IeU;、tKxul;.〕,由厂计督最理的测灌!th或f火;叫2〕程序〔序〕23找性插俄法误处9析UPQ、K、段插值为例,显然,误蓑最大发生在中点NS、C令七,I;为标准温度和电压,<=225〔?,I;=lSJ87〔mV〕虬这时7;=2207;U30K=140mV,I;=IS、664假设对热电偶测量电压I;是准确的,按式〔S〕计算温度斗1SX-14SIANOQS、6M_1492〕_
15.6M-14S12-・.50〔l〕oIfi对误差6=4=
224.986-225=』•〔〕14〔0满足精度要求如需更高精度,可it播值间距更小除线性插值法外,也可采用计算分度函数及反函数方法查
2.4PtlO湾温煽程241把%换算成电阻叫的程序1〕算法依据式〔5〕当满足式〔3〕贝IJ桥压MR】s+Ro.4f+RJ护]代入=10和仆
3.9083x1次,—
5.775x109C=83xlC』见文献
[5].可傅当-200OW0有
0.000004183/4-
0.0004183/3+
0.5775/2-
3908.30/10000/-100=0当0W850有.05775尸-
390.83/+1000/-100=0对式II标准形式的一元4次方程+1112ax4+H+*+必•+=可有如下解析方法求4个根叫算法为:定义18个float变量abcdeAA△,6l26如y{»y2»y3»y4y5%,让=
0.0000041833=-
0.0004183c=
0.5775-7=
3908.30e=/r-100;⑶计算A=c、2-3bd+12ae;计算A2=2*9bcd4-27ad2+27b%-72ace;计算a=r-旦瓦~_3/+JYA+鼠
33.高
3.1206M型吏达至
3.
1.1LSE〔K+R+M〕〔冬+R〕从中别离出AP_顷+gg5-K〔%+〕i+KM计算M=_f;式〔io〕中,即是4该式的右边各量均已在前面给出,所以M可算出i十算代a=100+M2〕程序〔略〕
2.
4.2求解热电阻方程的程序1〕莫法将热电阻方程〔I〕〔2〕稍作变形,就有=+M+5’+C_/0C10〔〕r31⑪y开始求根⑫第一根计算⑬第二根计贰四炬根计用:第四根计说f以用560求解此方程,如数值计算精度68-i
68.1]之间E括元4分辨耳
3.2数值为2璀记录有时能的PtlO现E
3、鹭擀温精度分析及数据记录篇薰g5也就是5率是
3.
1.1热电偶参见
1.
3.1和
1.
4.1节当GAIN=44x
49.99°200mV=Fs此时,1LSB对应的温度分辨值为嬴=
0.01°C精度⑶为
0.0041可对K或其它型热电偶做类似精度分析考虑到在同样的量程下,要到达Fs值,需要取更大的GAIN这将降低一些分辨率
3.
1.2PtlOO
①按141节,当GAIN=4到达满度值尸s这时1LSB对应的测温分辨值为—=
0.00104«
0.001°C65536精度国为±
0.1+
0.00170例如,显示值是682因为68-
0.1-
0.0017x68=
67.886468+
0.1+
0.0017x68=
68.1156所以实际温度可能是
67.8864〜
68.1156°C之间的一个值注意,考虑电路设计的综合噪声因素包括元件精度的选择,有时,可能达不到上述比拟理想分辨率的状况
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
20.6931表
1、表2那么是该温控器连续测试的数据记录,—个用PtlOO另一个是E型热电偶这些<测试说明测试时,为保持环境涅爰乓芽龛后•要减少空气流动,减少热源并在泛羞旁走W幻10〜15min开始测量4结束语温控器的高精度温度测控任重道远.云素竺W二纭pt100使用在内的更新的测温技术来提W洲云谴宣毛兵本实验室的下一个前行目标O参考文献⑴LTC2486-16-Bit2-4-ChanneAS-DCx¥二arcEasyDriveInputCurrentCanceat-Z11:1517[2021-10-8].s:^analog.co^.aer.technical-documentation/Data-sbeets2486re.ccr.〜LTC2480-16-BitAZADC队廿EasvDrveCancellation[M/OL].ADI2021-6:12021-3-12lh^psanaiog/mediafertecbn^ai~cioc^*ner3cr;sheetsZ2480fe.pdf.、、ABasicGuidetc^err^ocouple仔°1右
114、69[20l9T0-8Ls:\vww.tIit/an/sbaa274/sbaa
274.pdfts=593588-^6^2url=s%253A%252F%252Fcn.B一__中国国家标准管理委灵会、GBT中国国家标准管理委员会.GBT302-20!3:尝弋钳感温莉S]d晾中龄粮»池2021斜忡MOGHIMIR.LownoisesignalcondMorw^forwwor-basedcircuitslM/OLJ.ADI^aOIO^^M^O^J-e-lanalogxom/mediaentechnlCal-Oox4-enuto*technicabarttctes/MS~
2066.pdf⑼STM32F10*_SMPehph_Lib_\^
5.0CHO^Va.5KSTWI,cro,tectronics、2021X20i3LhttUwT«B73^由计N俾到,=由表l得知,此时\的误差最大,为I山I=
27.9%相当可观当然也可通过式〔4〕及式〔8〕计算得到化仆|=
27.9%注意当被测阻抗值不是600时,应加上电平的电阻修正值综上所述,考虑到修正值及以尽谚减小误差的原那么,电压档量程、电平修正值、电平测量范围和指针指示范围如表2所示表2电压档量程、电平修正值、电平测量范围和指针指示范围注意在Ur=iov基准电压档测量,且当指针指示值小于8dB时,因误差迅速增大,其值只能作为参考当各电压档的量程与本例不符时,读者可以根据本文的方法,计算表2中的内容4电平的测量方法为了仪表的平安,首先用高电压档即1000V档测量,将指示数加上40dB得到实际分贝值假设指示值低于16dB那么降低一档电压,即500V档测量,将指示数加上34dB,得到实际分贝值假设指示值低于16dB,那么降低一级电压,即250V档,将指示数加上28dB得到实际值假设指示值低于8dB那么降低一级电压,即50V档将指示数加上14dB,得到实际分贝值假设指示值仍低于8dB,那么减低一级电压,进入ioV的基准电压档,其指示数就是实际分贝值假设指示数仍低于8dB其误差就很大,指示数只可作为参考值如Z〃=8Q使用t/2w=50V档,由表2知,电平的电压修正值是Kp2=14dBo电平的电阻修正系数匕=101og多=101og罕=
18.75dB当指示值为KP\=13dB时,电平实际值警告交流电压档测■电平又表头的根本误差与电路电阻、整流器等综合起来,构成了交流电压档的根本误差由式〔X〕可知交流电压档的根本误差对电平测量误差有直接影响、电平的误差曲线是随着电平的减小而迅速增大,为了尽St减小测量误差,故要规定指针指示的下限值用户应特别注意另外,由图1可知,电平误差曲线是呈下降情形,这与电阻误差曲线国及电感、电容误差曲线〞呈两端上翘的情形是不相同的最后应特别指出的是在万用电表生产厂家的技术说明书中,给出的误差是指满量程时的相对误差,这当然是很小的,如5%而实际上,应该按测量时的最大误差考虑,本文为
27.9%这还仅仅是在测量方法正确的前提下才能实现的参考文献£最舫〔君擀裟电表电阻测■电路的误差分析电子产品骚牒g震用满渊误差分析I』•电〔上接第66页〕st・com/content/st_com/en/p「oducts/霁3;誓蒙S霉J嘿篇P摸mbedded-software/hbraries/stsw-stm
32054.htmlm32一standard-peripheral-岑踏家特鹭的高精度热电阻测量电路设计[』Lww.3卷膘饕憾籍斜削*/*.[2021-6-29].:〃
447355569.shtml
1.nt/15/0209/02/
15341227.袖Si嘉器保箫括1器饕温度计算中的应用特性
[13]RM0008[M/OL1pl^148-〔2021-12:159-196699-汶耙八时Microelectroni牛c〃「esource/en/refe「enE2°21-2-9]s://stm32f101xx-stm32f102xx-stm^fnual/cd0°171190-and~stm32f107xx-advanced--^03xxstm32f105xxstmicroelectronics.pdf.arm-based-32~bit-mcus-〔9〕
⑦计算为4v b242c•况®i+%4c2a23a_△;10
⑨i十算以4bc8~•—.a表1PtlOO高分辨步2E型笏电绥寓增多测■记龙—时问2021222温度/C52021225景虔/c*16:55:
0020.69220A416:55:
0520.69310095020X51655:1020后931W9^520431655:15206931CE10D0204416:55:
2020.693204516552520-693KklOrlO20X516:55:
3020.693BMhl5204716:55:3520492IMO^O204716:55:402069310dk2520X516:55:4520^94lMk
30204616555020.694lMk3520X
716555520.694KkKMO20X71656002069310^M520X7序号量程%v电平修正值Kp/dB电平测量范围指针指示范围匕侦〜K异dB11008〜228〜222501422〜368-2232502836〜508~2245003450〜5616〜22510004056〜6216-22。