基于恒流源驱动的热电阻测温电路系统的设计与研究

基于恒流源驱动的热电阻测温电路系统的设计与研究【摘要】针对热电阻测温系统中，导线电阻所带来的测量误差难以克服的问题，通过采用恒流源驱动热电阻以及通过加减运算电路来克服导线带来的测量误差，从而获得了具有较高精度的模拟信号。通过STM32对返回的模拟信号进行定时采样滤除干扰后进行AD转换从而获得了较高精度的温度值。【关键词】STM32；恒流源；热电阻ThermalresistancetemperaturecircuitsystemdesignandresearchbasedontheconstantcurrentsourcedriverWangLong-XIN（CollegeofAutomationandElectronicEngineering，QingdaoUniversityofScienceandTechnologyShandongQingdao266042）【Abstract】RTDtemperaturemeasurementsystemformeasuringleadresistanceerrorsbroughtinsurmountableproblembyusingaconstantcurrentsourcedrivesthethermalresistanceandbyaddingandsubtractingcircuittoovercomethemeasurementerrorcausedbywire，whichhaswonhighprecisionanalogsignal.AfterADconversionoftheanalogsignalbyreturningtimedsamplingfilteroutinterferenceandusingSTM32soastoobtainahighaccuracytemperaturevalues.【Keywords】STM32；Constantcurrentsource；PT1000.引言温度是化工生产过程的四大参数之一[1]，温度测量在生产生活各种参数测量中占有非常重要的地位，测量温度的传感器既有传统的热电阻，热电偶等模拟量温度传感器，又有诸如DS18B20等可以直接获取数字量的温度传感器。铂热电阻是一种精度高、线性度好、测量范围宽的温度传感器[2]。因此在实际温度测量中铂热电阻获得了非常广泛的应用。但在实际热电阻温度测量电路中，由于设计不当常常会将导线电阻带来的误差引入测量电路中。对于PT100型热电阻，温度每变化一度，其阻值大约变化0.4欧姆，试想在远距离布线测量温度时，若不能很好的消除导线电阻带来的影响，那势必会大大降低测量结果的精度。因此设计合适的热电阻温度采集电路系统来消除导线电阻对温度测量结果影响具有非常现实的重要性。1.系统组成基于恒流源驱动的热电阻测温电路系统以STM32F103C8T6为核心控制器，系统的原理框图，如图1-1所示，包括核心控制器STM32F103C8T6、恒流源驱动电路、信号采集电路、信号调理电路、显示电路、按键电路以及电源电路7个组成部分。图1-1系统结构原理图系统通过恒流源产生稳定的1.5mA电流，电流流过PT100热电阻会产生微弱的电压信号，信号调理电路可以把该微弱的电压信号进行放大、滤波并送入STM32F103c8t6自带的AD转换接口进行AD转换。系统根据AD转换获得的电压值，通过计算电压和热电阻阻值的关系以及热电阻阻值和温度的关系方程求出测量到的温度值并通过数码管实时显示测量结果。2.硬件电路设计2.1STM32F103C8T6基本外围电路图2-1STM32F103C8T6基本外围电路图STM32F103C8T6片上系统是本测温系统的控制核心，其基本外围接口电路是保证系统正常工作的辅助电路，包括供电晶振电路、滤波电路、复位电路、启动方式选择电路等基本外围电路。2.2恒流源电路恒流源驱动电路负责驱动温度传感器PT100，将其感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号，实现R-V转换。恒流源电路由运算放大器LM358、3V基准电压源、反馈电阻组成，考虑到LM358输出电流的能力有限，所以设计恒流源输出电流大小为1.5mA。恒流源电路如图2-2所示。其中U1A，U1B均引入了负反馈，前者构成同相求和运算电路，后者构成电压跟随器。图中R1=R2=R3=R4=R，因此：U=U（1）U=·U+·U=0.5U+0.5U（2）U=U=2U（3）将（2）式代入（3）可得：U=UU（4）R5上的电压为：U=U-U=U所以i=所以恒流源输出电流的大小只与U、R5有关。其中U=3V，R5=2K。因此i=1.5mA。图2-2恒流源电路原理图2.3信号采集调理电路图2-3信号采集调理电路原理图信号采集及调理电路如图2-3所示。RT为温度传感器PT100，PT100采用三线制连接方法。实际应用时，三根导线采用相同规格、相同长度的导线，因此三根导线实际电阻近似相等，假设为r1=r2=r3=r。电路中R6=100K、R7=100K阻值都比较大，因此，恒流源流经R6及R7的电流可忽略不计。具体来说，对于图中接法，运放U2A同相输入端电压V=V+V，运放U2A反向输入端电压V=V+V+V。基于r1=r2=r3的假设，有V=V。则运放A3的输出V=2V-V=2（V+V）-（V+V+V）=V。即从理论上消除了引线电阻对测量结果的影响。由于经过一级放大获得电压信号仍然很微弱，所以还需要进一步的放大，即U02=U。最后将获得电压信号U02送入STM32F103c8t6进行AD转换。3.软件处理系统软件包括AD转换部分，数码管显示部分。为了提高温度采集的精度，AD转换部分每秒钟采样20次，并用插入法对所取的20个值进行排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩下的18个取平均值。最后运用查表法找到该阻值对应的温度值，并在数码管实时显示该温度值。4.结论综上所述，基于恒流源驱动的热电阻测温系统巧妙的电路设计消除了导线电阻对测量结果的影响，极大的提高了测量精度。软件采用每秒钟采样多次并去掉最大值和最小值对剩下的数据取平均值的方法高了系统的抗干扰能力，