基于STM32的测温实验平台的设计

来源：九壹网

第26卷第5期2019年5月仪器仪表用户INSTRUMENTATION

Vol.262019 No.5

基于STM32的测温实验平台的设计

王标，吴薇

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009）

摘要：温度测量时，需要传感器采集温度数据。为了满足学生教学实验多功能高精度的要求，介绍了一种基于STM32的测温实验台，综合阐述了集成热电偶、铂热电阻、集成式温度传感器、热释电式传感器测量温度的原理，并提供了不同的测量方式，编写各模块相关程序，最后进行实验。实验结果表明相比于市场上现有的温度测量仪，本文中的测温实验台具有集成性高、稳定可靠等优点。关键词：温度测量；STM32；传感器

DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2019.05.004

中图分类号：TP274 文献标志码：A

文章编号：1671-1041(2019)05-0011-03

Design of Temperature Measurement Experiment Platform

Based on STM32

Wang Biao，Wu Wei

（School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei,230009,China）Abstract：When measuring temperature, sensors are needed to collect temperature data. In order to satisfy the requirement of multi-function and high precision of students' teaching experiment, this paper introduces a temperature measuring experiment platform based on STM32. It comprehensively expounds the principle of temperature measurement with integrated thermocouple, platinum resistance, integrated temperature sensor and pyroelectric sensor, and provides different measuring methods, compiles relevant program of each module, and finally carries out the experiment. The experimental results show that compared with the existing temperature measuring instruments on the market, the temperature measuring experimental platform in this paper has the advantages of high integration, stability and reliability.Key words：temperature measurement；STM32；sensor

温度测量是人们日常生活及工业现场中必不可少的重要环节，本论文所设计的多类型温度测量仪以STM32F4芯片为控制核心，选用较常见的、工业应用广泛的集成式数字温度传感器DS18B20、红外温度传感器MLX90614、PT100和PT1000铂热电阻温度传感器、K型和T型热电偶温度传感器作为感温元件进行温度测量。

1 整体方案设计

如图1所示，本系统设计采用集成式数字温度传感器、红外温度传感器、热电偶温度传感器和铂热电阻温度传感器作为感温元件，通过前端信号处理电路，用STM32处理器处理数据，最后实时显示在数码管上，用串口进行上位机通讯和系统调试，按键分为两个部分，一部分作为输入

收稿日期：2019-03-07

基金项目：合肥工业大学实验室自制仪器设备项目（Z201511）。

作者简介：王标（1980-），男，安徽亳州人，博士，副教授，硕士生导师。

图3 MLX90614红外温度传感器接口电路图

Fig.3 MLX90614 Infrared temperature sensor interface

circuit diagram

图1 整体方案系统框图

Fig.1 Overall scenario system block diagram

图2 DS18B20温度传感器接口电路图

Fig.2 DS18B20 Temperature sensor interface circuit diagram

图4 PT100/PT1000线制选择电路图

Fig.4 PT100/PT1000 Wire selection circuit diagram

控制选择热电阻测量方式：二线制、三线制或者四线制；另一部分作为控制选择热电偶温度传感器测量方式，进行温度补偿或者不进行温度补偿。数码管和按键构成人机交互界面，达到系统与操作者的输入与输出交互功能。

电平的大小实现IIC协议数据传输，从而将红外温度传感器的输出数值送往单片机最终显示在数码管上，具体接口电路如图3所示。

2.3 铂电阻温度传感器模块设计

PT100/PT1000温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器，属于正电阻系数，当PT100/PT1000在0℃的时候它的阻值为100Ω/1000Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速地增长[3]，其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro ( 1 +αT )

（1）

2 硬件系统设计

2.1 集成式温度传感器模块设计

本设计针对集成式温度传感器的选取主要考虑的方面为使用方便、可行性高、市面上应用比较广泛。因此，本设计选取了比较常见的DS18B20传感器。

DS18B20工作时被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力[1]。其内部采用在线温度测量技术，测量范围为-55℃～125℃，在-10℃～85℃时，精度为±0.5℃。具体接口电路如图2所示。

其中，α=0.00392，Ro为100Ω/1000Ω（在0℃的电阻值）。

铂电阻3种接线方式分别可分为：二线制、三线制、四线制[4]。由于不同线制对PT100/PT1000的测量都存在影响，故本设计希望将这3种接法差异对比出来，故在进行PT100/PT1000测量之前应选择好相对应的线制，故采用带光耦隔离继电器作为线制选择的控制器。如图4所示，采用MAX31865芯片作为热敏电阻至数字输出转换器，通过继电器控制FORCE+、RTDIN+、RTDIN-、FORCE-引脚的连接实现兼容于2线、3线和4线的传感器连接。

2.2 红外温度传感器模块设计

红外测温的原理为黑体辐射定律，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点。

本设计中采用的典型红外传感器为MLX90614温度传感器，该传感器既集成了探测器同时还将信号处理芯片一并集成在片内，测量出来的温度存储于处理芯片的内部RAM之内[2]。本设计中，MLX90614温度传感器采用3.3V电源供电，将SCL和SDA端接至单片机的两个IO口，通过配置IO口

2.4 热电偶传感器模块设计

本设计中采用K型热电偶和T型热电偶作为感温元件。

表1 实验数据

Table 1 Experimental data

图5 热电偶信号处理电路图

Fig.5 Thermocouple signal processing circuit diagram

DATA=((DATA<<16)>>20)

其温度与返回值之间转换公式为：

Temp_Thermo=DATA*0.25

（4）

热电偶具有线性度好，热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。采用一款专门为热电偶设计的冷端补偿热电偶至数字转换芯片MAX6675，将热电偶信号转换成数字量，其内部具有冷端补偿功能[5]，热电偶接线电路图如图5所示。由于补偿导线长达3m，故采用AD转换芯片AD7793与PT100热敏电阻组合搭建冷结补偿模块实时测量热电偶冷端温度，即可实现通过按键选择实时读出热电偶补偿前后的温度，方便对比补偿前后的温度差别[6]。

（5）

铂热电阻温度传感器经AD转换后为16位有符号BCD码，其温度与返回值之间转换公式为：

Temp_PT=((AD_Value/32.00)-256)

（6）

4 实验数据

完成以上设计后，编写程序并烧录进实验台进行实验。用加热槽加热水30℃并稳定，再进行测温实验，实验数据如表1所示。由表格数据可知，各类型传感器测温数据皆正常且精确贴近预设温度值。

3 交互软件设计与实现

整个系统在启动后首先进行初始化，初始化过程包括对各传感器、数码管、按键等的输入或者输出端进行配置和初始化。初始化后开始获取各传感器所返回的测量值，其中由于铂热温度传感器存在线制选择、热电偶温度传感器存在补偿前后选择，故在获取测量返回值之前必须确定目前所处的键值，键值确定通过按键按下获取，最终输出每种测量方式下的温度数值，所有的温度数值都将实时显示在相对应的数码管上。

获取各传感器返回值后对返回值进行数据处理，对于DS18B20集成式温度传感器，其返回值为16位有符号BCD码，其温度与返回值之间转换公式为：

Temp_DS18B20=DATA*0.625

（2）

5 总结

本论文主要围绕温度测量展开，采取多种不同的方式来进行温度测量，主要测量方式有铂电阻温度测量、热电偶温度测量、红外辐射测量、集成式温度测量等。其中的铂热电阻测量分为PT100和PT1000两种传感器，每个传感器又分为二、三、四线制；热电偶测量分为K型和T型两种传感器，每个传感器又分为补偿前、补偿后，每种方法都需要搭配不同的处理电路以便进行信号采集。另外每种方法又对应一块数码管用来显示温度的变化，同时也方便进行不同方法间的对比。

本论文集成了4种工业现场常见的温度测量方法，使用其典型传感器和典型处理方法，较为全面，可为学生学习提供经典样例，使学生在学习时能更清楚相关传感器的使用和工作状态、测温范围、精度等。在价格方面，该平台较市场上的类似产品更为低廉，更适合作为学生日常学习的实验平台。

对于MLX90614红外温度传感器，其测量返回值也是16位有符号BCD码，其温度与返回值之间转换公式为：

Temp_90614=DATA*0.02-273.15

（3）

热电偶温度测量经AD转换后返回值为32位BCD码，其中第4位到第15位为经冷端补偿计算后数值，故应取出所需的值：

参考文献：

[1]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术,2010(4):

（下转第103页）

发电系统资源需求和共享有很大的制约性。

103

3 升级改造内容

1）在现有PLC系统电子间内，拆除原有PLC除电源柜外所有设备，保留现有信号线缆，保留原PLC电源。

2）对现PLC系统使用的组态逻辑及工艺流程图进行转换，将现有和利时Logix内梯形图控制逻辑及Ifix图转换成升级后DCS系统自定义功能块逻辑及画面显示格式，在保持原操作习惯不变的前提下，对操作风格进行DCS人机交互优化。

3）将精处理原有PLC网络硬件取消拆除，采用现单元机组DCS系统网络结构，即稳定可靠直接通信的单层网、对等网络结构。

4）原现场至PLC端子的信号线缆接到新DCS卡件上，并进行校线、传动信号等工作，远程站控制设备拆除、继电器拆除作为DCS控制信号转接柜，敷设电缆至再生控制间DCS远程站DCS设计通道端子上。

5）在设备安装调试完成后对精处理系统所有顺控、程控及测点报警保护功能进行测试传动。

4.3 数据库统一

改造后，DCS使用的是将原PLC控制设备及测点与单元机组统一的数据库，单元机组DCS系统中保存所有原始数据，而单在PLC控制系统中，上下位软件的通讯建立都需要第三方进行数据库统一。统一的数据库为下一步智能智慧电站的实现保证了源数据质量。

5 控制系统改造后投入运行效果

精处理PLC系统改造接入单元机组DCS控制能够充分满足现代大容量、高参数火力发电机组先进的生产管理需求，符合现代火力发电的大集控理念，也是减少运行人员数量、降低人工成本的有效技术手段。统一的数据库，标准化的网络协议及结构是建立云平台、大数据分析的基础。系统之间数据共享，运维更高效、便捷。其辅助生产系统19套PLC控制系统改造积累经验，确保全厂生产控制系统之间的无缝整合和控制安全。

4 改造后优点

4.1 控制系统安全性能提升

单元机组DCS各处理器、网络和电源均采用的双冗余配置，在生产系统运行过程中发生某个重要硬件节点及控制软件故障，处于热备用状态的冗余元件立即切换为主工作元件并在系统设备报警中进行故障报警提示，使得控制系统安全可靠性能得以保证。但是原PLC控制系统之中，主从控制器间仅为备用状态，主要设备发生故障时只存在就地状态指示灯报警，系统安全性性能较弱。

6 结语

工业生产自动化系统的网络化、标准化、智能智慧化是现代工业发展的必然趋势。将PLC系统改造为DCS，对火力发电厂控制系统进行统一化，充分实现电厂生产经营管理的智能化和自动化，达到提高企业现代化管理水平、提高企业经济效益的目的，为提高企业市场竞争能力的目标奠定了基础。

4.2 扩展性和兼容性差异

改造后，DCS的兼容性和扩展性较原PLC之间得到很大的提升，改造后和利时MACS K系列的DCS属于火电厂控制管理层的大型的网络系统工程，操作级和网络平台都是以太网形式，采用的是当前标准的TCP/IP协议，这为整个系统的扩展提供了方便。原PLC系统主要针对辅助设备进行控制，在兼容性和扩展性方面是存在设计弊端的，在底层生产现场的自动控制和数据采集层面对未来智能智慧火力

参考文献：

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107-109.

[2]张鸿.PLC控制系统与DCS控制系统的优势分析[J].中国科技纵

横,2014(19):69.

[3]张如意,陈向东.国外火力发电厂DCS和PLC控制系统一体化技

术应用研究[J].科技与创新,2016(10).

[4]付志峰.火力发电厂辅助系统由PLC控制改造为DCS控制系统

的应用研究[J].科技与创新,2017(3).

（上接第13页）

68-70.

[2]Chen J, Wang J P, Shen T Y, et al. High Precision Infrared Tem-perature Measurement System Based on Distance Compensation[J].2017(12):3-21.

[3]王红萍.铂电阻温度传感器测温研究[J].抚顺石油学院学报,2003

(2):58-60.

[4]施文康,余晓芬.检测技术:第三版[M].北京:机械工业出版社,2010.[5]彭俊珍.热电偶传感器冷端温度补偿技术[J].科技信息,2012(18):

230-231.

[6]Kochan O, Kochan R, Bojko O, et al. Temperature Measurement

System Based on Thermocouple with Controlled Temperature Field[M].2007.

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