基于N型熱電偶的智能化多通道測溫系統

摘要:針對冶金、機械制造等工業(yè)生產(chǎn)中對溫度測試的需求,設計了一種基于N型熱電偶測溫原理的精度高多通道的測溫系統。該系統以STM32為控制核心,ADS1148作為采集芯片,并通過(guò)WiFi處理模塊Esp8266實(shí)現數據的.傳送,使得用戶(hù)可以遠距離隨時(shí)查看和監控數據。同時(shí)運用曲線(xiàn)擬合的最小二乘法對不同的傳感器進(jìn)行標定補償,有效地提高了測溫精度,避免了硬件調節的困難。實(shí)驗結果表明,該系統的測溫精度可以達到士0.1℃,且體積小、性能
可靠,在工業(yè)生產(chǎn)具有良好的應用前景。
0引言
　　當設備運行在高低溫環(huán)境中時(shí),溫度控制一直是人們所關(guān)心的問(wèn)題,隨著(zhù)技術(shù)更迭，溫度控制系統技術(shù)朝著(zhù)更智能、高安全、功能多樣等方面發(fā)展。K型熱電偶是現在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的測溫元件,具有價(jià)格便宜、測溫范圍廣、抗氧化性能強等優(yōu)點(diǎn),但是K型熱電偶在250℃~650℃中由于短程“有序無(wú)序”轉換會(huì )造成測量誤差，以及在150℃~260℃范圍內會(huì )發(fā)生磁性轉變引起熱電勢活動(dòng)。目前國內外傳統的測溫器件多是采用RS485總線(xiàn)有線(xiàn)傳輸,受距離影響較大。許謹等只提出一種數據采集系統,多個(gè)前端數據采集設備與主機通過(guò)RS485總線(xiàn)遠距離傳輸數據，系統結構清晰但電路較復雜且成本較高。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變。主控部分大多使用單片機STC89C52,荊海霞等可以STC89C52為核心設計了一種測溫系統,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?；诖?本文設計了一-種基于N型熱電偶的精度高智能化測溫系統,該系統包括上下位機的軟硬件模塊設計，上位機與下位機之間通信采用Esp8266WiFi模塊,使監測溫度時(shí)受距離因素影響較小，方便實(shí)用。
1系統的總體結構
　　本系統使用STM32F103VET6對整個(gè)系統進(jìn)行控制，其內核是Cortex-M3,32位ARM微控制器。溫度信號采集使用4片TI的16位精度高模數轉換ADS1148芯片，STM32F103VET6與ADS1148之間采用串行外部設備接口(serialperipheralinterface,SPI)總線(xiàn)進(jìn)行通信,與上位機之間采用Esp8266WiFi通信模塊,傳送數據。系統結構框圖如圖1所示。

　　由圖1可知,ADS1148將PT100和熱電偶的模數轉換值通過(guò)SPI傳送給主控芯片STM32F103VET6。在主控芯片讀取冷端補償溫度和自身ADC芯片的轉換結果后,通過(guò)Esp8266WiFi模塊將溫度上傳到上位機顯示。
2硬件設計電路設計
2.1SPI總線(xiàn)協(xié)議
　　SPI通信總線(xiàn),使雙向的數據進(jìn)行瞬時(shí)的信號傳輸,同步高速”],具有傳送速率快、通信簡(jiǎn)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備選擇、時(shí)鐘及串行數據輸入/輸出等信號線(xiàn)。本系統采用一主多從的四線(xiàn)制SPI,主控與ADS1148通信采用標準的串行接口。當SPI收到激活信號后,通信才會(huì )開(kāi)始。
2.2ADS1148
　　ADS1148是高度集成的精密16位模數轉換器,具有非獨立,低噪聲,可編程增益放大器(PGA),以及單周期建立數字濾波器的精密delta-sigmaADC和內部振蕩器。并且ADS1148對外供給10mA輸出容量的內置電壓基準，以及兩個(gè)匹配的可編程電流數模轉換器(DAC)。ADS1148為溫度傳感器應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器(RTD)。ADS1148具有輸出速率高，自我和系統校準,通用的I/O口以及與SPI兼容的串行接口等特性。ADS1148與外部設備的接法如圖2所示。

　　ADS1148的外部器件中,RTD對應于PT100傳感器，R.eaD為連接PT100傳感器的導線(xiàn)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(lái)消除噪聲,因為溫度信號是一個(gè)低頻信號。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(xiàn)段的電勢值,計算公式為:
VIN=VAIN0-VAIN1(4)
當RTD隨溫度變化時(shí),對應VIN也會(huì )變化:
VIN=VAIN0-VAIN1=IDACXRTD(5)
可以看出,運放的差分輸人電壓值與導線(xiàn)的電阻值大小無(wú)關(guān)。
2.3熱電偶測溫單元設計
　　作為結構簡(jiǎn)單的測溫元件,熱電偶原理”主要是由2種不同材料的導體或者半導體的兩端進(jìn)行連接,并且使2個(gè)節點(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。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。根據中間溫度定律得出:

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

2.4WiFi通信(Esp8266)
　　本設計采用Esp8266WiFi處理模塊進(jìn)行通信,實(shí)時(shí)傳輸數據,用戶(hù)可以不受距離限制就能對采集板進(jìn)行控制及環(huán)境溫度的監測。Esp8266WiFi模塊支持多路TCP客戶(hù)連接,它內部有TCP/IP的協(xié)議線(xiàn),內置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。本設計采用的是STA模式,連接到熱點(diǎn)后將Esp8266WiFi處理模塊與主控板MCU通過(guò)串口連接,一-般建立連接后會(huì )自動(dòng)分配一個(gè)默認IP1921684.2。之后將測溫采集終端采集到的數據發(fā)送給路由器,再由路由器傳送到后臺顯示到上位機界面供用戶(hù)查看。STA模式下的組網(wǎng)結構如圖4所示。

3系統軟件設計
3.1軟件流程設計
　　多通道測溫系統的軟件主要完成對DS18B20輸入端的溫度測量、各通道電壓的測量之后,分析數據并將通道電壓值轉換為溫度值送人終端顯示。程序流程如圖5所示。

　　由于熱電偶是根據兩端結合點(diǎn)溫度差來(lái)測量溫度的原理,為了減小誤差,獲取自由端溫度后并對其進(jìn)行補償。這樣才能得到最終的測量溫度，減少誤差。為了減少主控的負荷和功耗,可以在通道中進(jìn)行電流測量,若通道回路中電流大于一定值時(shí),那么就可以測量通道中的電壓值;反之，則認為通道開(kāi)路,無(wú)動(dòng)作。
3.2標定補償及最小二乘
　　因為DS18B20的測量精度僅有±0.5℃,為了提升系統精度,采用最小二乘法對其進(jìn)行標定，縮小傳感器的誤差。采用精密數字溫度計的測量值作為實(shí)際溫度，與溫度傳感器的測量值進(jìn)行對比。如圖6所示,精度為0.01℃精密數字溫度計與DS18B20在0℃~50℃內所測得的10組溫度值。以最小二次多項式作為目標函數,表達式為:

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

　　將所測得的數據代人式(8),得出待定系數的值,則可得到最終的擬合表達式:

　　式中:y為標定補償后的溫度值,單位為℃;x為傳感器所測得的溫度值,單位為℃;
　　經(jīng)過(guò)擬合之后,實(shí)際溫度與所測溫度的值如圖7所示。通過(guò)比較結果可知,所測溫度值經(jīng)過(guò)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(xiàn)性特征,為了提高裝置精度,在一50℃~250℃測溫范圍內對其進(jìn)行分段線(xiàn)性建模,表達式分別為:

　　式中:y代表擬合溫度;x代表阻值。通過(guò)理論計算,最大誤差分別一0。09623℃,0.098896℃以及0.094516℃，誤差均在±0.1℃以?xún)取?br />
4測試結果
　　為比較試驗結果,將恒溫箱初始溫度設置為一50℃，PT100與N型熱電偶放置在恒溫箱內,每隔10min恒溫箱溫度變化--次,每次變化40℃,等待恒溫箱溫度達到設定值后開(kāi)始測試。測試結果如表1所示。

　　結果表明,溫度傳感器PT100和N型熱電偶的測量誤.差均達到系統精度0.1級的要求。鉑電阻PT100的測量誤差主要是因為傳感器自身非線(xiàn)性誤差、雙匹配電流源誤差和ADS1148測量誤差造成的,而N型熱電偶的測量誤差主要來(lái)源于DS18B20自由端測量誤差、傳感器非線(xiàn)性誤差和ADS1148測量誤差。本系統的上位機使用C#設計。上位機界面如圖8所示,用戶(hù)通過(guò)上位機設定區靈活選擇每一通道,確定后在顯示區就可以顯示出當前通道的溫度值,誤差保持在±0.1℃以?xún)?滿(mǎn)足精度要求。

5結論
　　本文介紹了基于A(yíng)DS1148芯片的N型熱電偶的多通道測溫系統的軟硬件設計及實(shí)現，上下位機使用Csp8266WiFi模塊通信,使用戶(hù)監控數據可以不受距離限制。并采用多種方式提高系統精度,包括查表、濾波以及使用最小二乘法對傳感器進(jìn)行標定,最終系統精度均控制在士0.1℃以?xún)?。而且系統裝置體積小便于攜帶,后期可以增設通道，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濕度、壓力等豐富系統功能，以便更好地適應工業(yè)生產(chǎn)要求。