劉 衛(wèi)

（長沙民政職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410004）

溫度在工業(yè)生產當中發(fā)揮著重要作用，溫度檢測與控制直接影響著工業(yè)生產效率和安全，并關系到各種技術經濟指標，如產品質量、節(jié)能等，因此，相關研究領域要高度重視研發(fā)智能溫度檢測與控制系統(tǒng)。目前，溫度檢測儀器在多個領域廣泛使用，有多種方式可實現(xiàn)溫度測量，且溫度測量技術隨著科學技術的不斷進步而日臻完善。

1 STM32相關概述

STM32屬于一種嵌入式單片機，主要應用在提出低功耗、低成本、高性能要求的嵌入式應用設計中，其主流產品包括STM32F1、STM32F0以及STM32F3，高性能產品包括STM32H7、STM32F7、STM32F4、STM32F2，超低功耗產品有STM32L4+、STM32L4、STM32l1、STM32L0[1]。STM32系列產品包含強化型外側接口，其互聯(lián)系列有和微控制器一致的標準接口，使產品應用更加靈活，不同的設計中設計人員可重復利用一個相同軟件。在STM32L系列當中，增加了低功耗睡眠、低功耗運行這兩項重要的低功耗模式，在超低功耗振蕩器以及穩(wěn)壓器利用下，可使低頻下的微控制器明顯降低工作功耗。穩(wěn)壓器在不依靠電源電壓情況下，仍可達到電流要求。同時，STM32具有動態(tài)電壓升降功能，可使芯片保持中低壓頻運行過程，從而進一步降低內部工作電壓。

2 智能溫度巡檢儀設計功能

本研究所設計的智能溫度巡檢儀主要應用在工業(yè)生產領域，為滿足工業(yè)生產提出的監(jiān)控需求，智能溫度巡檢儀需具備以下功能：1）應用中可配合使用常用溫度傳感器對多路溫度進行全面檢測，本文所設計智能溫度巡檢儀和Pt100型鉑熱電阻相互配合，可對8路溫度實現(xiàn)巡回檢測；2）可結合不同的應用需求選擇不同顯示方式，包括定點顯示方式、巡回顯示方式等；3）可在全量程當中設定一個超限報警值，一旦實測溫度高出設定值，就會有報警信號發(fā)出，同步輸出常開節(jié)點；4）在實際檢測中，每路溫度都可轉變成和其線性對應的電流輸入，一般保持在4 mA～20 mA；5）可實現(xiàn)RS485通信，便于構建局域監(jiān)控網絡，在相應網絡中能夠共享溫度超限設定值、實測溫度等參數(shù)[2]。

3 基于STM32的智能溫度巡檢儀設計

3.1 硬件設計

基于STM32設計智能溫度巡檢儀，硬件總體設計主要包含7個功能單元，即溫度顯示單元、STM32單片機基本單元、溫度傳感單元、功能模式切換按鍵單元、電源單元、報警與繼電保護輸出單元、遠程通信單元。其中，STM32單片機基本單元當中主要包含單片機基礎性工作電路，如數(shù)據(jù)儲存電路、程序下載電路、時鐘電路等。在熱電偶測溫單元，重點分布有儀表放大及隔離電路、熱電偶接入以及冷端溫度補償電路等。在熱電阻測溫單元，重點設計儀表放大以及隔離電路，還有測溫電橋等。在顯示單元，包含有8位LED數(shù)碼管，由其顯示功能模塊基本信息以及溫度信號。在報警以及繼電保護輸出單元，包含有繼電器觸點輸出電路和指示燈報警電路。在遠程通信單元，主要以RS485協(xié)議為基礎實現(xiàn)遠程通信。在電源單元，設計220 V交流接入，所形成直流穩(wěn)壓電源包含多種電壓等級，可滿足單片機工作以及測量放大電路需求[3]。

系統(tǒng)方案運用計劃溫度測量電路，通過使用溫度測量電路能夠確保溫度測量值具有更高精確度，從而滿足應用提出的精度要求。溫度測量電路結合環(huán)境溫度，將所接收到的溫度傳感器信號進行轉換，獲得電流或電壓信號，此時需要向AD轉換器輸入相關電信號，以有效檢測環(huán)境溫度。經綜合對比，最后選定測溫電路方案包括：1）熱電偶溫度相關測溫電路方案。智能溫度巡檢儀在工作狀態(tài)下，會對熱電偶溫度做出熱電勢反應，冷端溫度和熱電勢輸出密切相關，在標準熱電偶分度表當中，以冷端溫度0 ℃為依據(jù)，所以要在熱電偶溫度基礎上實現(xiàn)冷結補償。對冷端溫度進行補償期間，有軟件、硬件兩種方法，本研究設計中選擇通過硬件方法補償冷端溫度。2）熱電阻溫度相關測溫電路方案。本研究設計中選擇Pt100熱電阻，供橋電源為5 V，經儀表放大以及信號隔離，使電橋輸出至單片機系統(tǒng)[4]。

3.1.1 MCU

在本設計中，MCU主要選擇STM32RBT6，其為64引腳。在導出PORTC端口，P2屬于重要組成部分。其中PORTA以及PORTB兩者密切相關，且有一定順序性，即：1）PA1和PA0以及P2端口一一對應，其可和傳感器數(shù)據(jù)口實現(xiàn)順暢連接，同時還可和紅外線傳感器當中的數(shù)據(jù)線相連。不過在本設計中并未使用該數(shù)據(jù)口，設計中主要使用“跳帽”使P2、P3兩者相互連接，不過設計中需要注意，兩者不可直接連接，因為溫度傳感器和紅外傳感器會對串口產生影響，從而使其發(fā)揮其他功能。2）P4端口實現(xiàn)和PL2303串口之間的有序連接，此端口主要為輸出端，它和單片機串口1（也就是PA9/PA10）相對應，該兩個串口主要實現(xiàn)跳帽連接，這一設計不會影響PA9以及PA10發(fā)揮其他功能。3）P5端口及另一IO口會引出排陣，此處會引出PORTD、PORTC等其他IO口[5]。

3.1.2 串口以及SW調試設計

以高速模式為基礎，和JTAG相比，SWD模式更加可靠，因為在具有較大數(shù)據(jù)量情況下JTAG會出現(xiàn)程序下載失敗情況，而相比之下SWD的失敗概率明顯偏低，所以本設計中選擇應用SWD模式。

3.1.3 熱電偶測溫電路設計

熱電偶測量端以及冷端溫度會對其輸出熱電勢產生直接影響，設計中選擇冷端補償方法。因為熱電偶體現(xiàn)出突出的非線性特點，因此本設計斷口檢測電路、非線性校正電路以及X6675集成冷端補償電路，在此基礎上能更加方便、快捷地使用K型熱電偶[6]。其中所用的MAX6675優(yōu)勢顯著，特點突出，它的內部集成設計了冷端補償電路，并使用三位串行接口，這一接口設計相對簡單，同時其溫度信號能夠向12位數(shù)字量方向轉換，并且具有非常高的溫度分辨率，能夠達到0.25 ℃。在電路中橋當中，包含有4個電阻，其中有3個恒定電阻，另1個是Pt100熱敏電阻，一旦Pt100電阻值發(fā)生改變，測試端就會同步出現(xiàn)電位差，此時可以電位差為基礎進行溫度值計算。在模擬輸出值當中，和橋接法所測量溫度密切相關。本設計中放大器選擇AD623集成單功放。在PNP晶體管當中，輸入信號會被當作電壓緩沖器向其中添加，所產生的共模信號會向輸入放大器當中傳遞[7]。所有放大器都和精確度非常高的50K反饋電阻相連接，在此基礎上實現(xiàn)可編程增益，并發(fā)揮差分電壓開關功能。輸出放大器經過轉換，會形成終端電壓，并以單一形式存在，工作中以五腳電勢為基礎對六腳輸出電壓實現(xiàn)可靠測量。

3.2 軟件設計

結合STM32特點、設計任務以及硬件電路，本研究所設計智能溫度巡檢儀共有4項軟件設計任務，按照實時性要求從低至高的順序，分別是系統(tǒng)初始化、人機服務、數(shù)據(jù)采集和溫度計算、通信任務。其中，系統(tǒng)初始化這一程序只需要在開機過程中運行一次，所以設計中不做過多考慮。在構建數(shù)據(jù)采集局域網基礎上，所設計智能溫度巡檢儀在相應網絡中保持從站地位，其響應網絡時間延遲最大值是主站一幀信息的發(fā)出時間，如果時間延遲超過了這一時間，就會使主站調度命令無法得到響應，整個網絡將明顯降低通信效率，所以設計中最高級別任務就是通信任務。在人機服務中，關鍵體現(xiàn)的是按鍵響應任務，通常情況下人的按鍵動作需要耗時約100 ms，所以在這一時間內能夠做出響應即可，未提出較高實時性要求，所以屬于最低級別任務[8]。相比之下，將數(shù)據(jù)采集和溫度計算視作中間級別任務。為按照所設定的優(yōu)先級別逐步執(zhí)行三項任務，要在設計中應用中斷機制。其中，主要于串行通信中斷服務程序當中執(zhí)行通信任務，在中斷設計中將其設為高級中斷；于外部中斷服務程序當中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集以及溫度計算相關任務，在中斷設計中將其設為低級中斷；于主程序內執(zhí)行人機服務任務。

3.3 結構設計

在智能溫度巡檢儀設計中，結構設計主要是設計儀表安裝形式以及外形。根據(jù)儀表應用需求，智能溫度巡檢儀主要有三種結構形式，即盤裝結構、便攜式結構、臺式結構。其中臺式結構不適合長年連續(xù)使用，同時便攜式結構也主要應用在非連續(xù)使用相關場合，而以盤裝結構設計溫度巡檢儀，相關儀表能夠在儀表盤上安裝，可長年持續(xù)監(jiān)控生產過程。所以，本設計中選擇盤裝結構，以滿足長期監(jiān)控連續(xù)生產過程的需求。在選擇盤裝結構基礎上，要了解可供操作的前面板尺寸比較小，不能安放較多按鍵和顯示器，而智能儀表設計中核心是微處理器，通過軟件利用實現(xiàn)多項功能，而這就對顯示器和按鍵數(shù)量提出較高要求[9]。對此，需要在設計儀表功能期間重點展示關鍵性功能，適當舍棄不必要功能，在滿足主要功能需求基礎上方便操作，同時盡量以在后臺提供復雜軟件支持形式保證操作流程和人的操作習慣比較相符。設計儀表操作方式前，要對同類儀表設計特點以及操作過程進行深入研究，以盡量提升操作便捷性、合理性。智能溫度巡檢儀在結構設計中，還要重點考慮對外接線，此處應重點考慮儀表應用場合，若應用在環(huán)境惡劣且使用周期較長的場合，主要選擇接線端子連接形式，在其他場合主要選擇接插件連接形式[10]。

4 調試與運行

將軟件Keil uVision 5打開，選擇Options for Target這一選項，同步打開，找到Dubeg欄，選定仿真工具，即Use：ST-Link Debugger。之后找到Setting，同步點擊，而后于Debug Adapter當中會看到Unit這一選項，其中會顯示出ST-LINK版本號。此時如果計算機當中插入有仿真器（ST_LINK V2.1以及V2.0版本），下拉框會將兩個版本都顯示出來，此時要點擊ST-LINK/V2-1這一選項。本研究所用仿真器屬于SWD模式，可找出ort選項，同步點擊“SW”，設置速度最大值MAX是4 MHz。填充完整設置結束后，點擊“確定”，將有一個對話框彈出，點擊“OK”就會顯示出IDE界面，此時操作人員就可對下一工程進行編譯。

5 結束語

本研究基于STM32設計智能溫度巡檢儀，首先，立足整體層面搭建系統(tǒng)，在充分學習與了解各模塊組成和功能基礎上建立系統(tǒng)總體，同步搭建顯示電路、報警電路、熱電阻測溫電路以及熱電偶測溫電路等，而后展開軟件設計和結構設計，并進行樣機制作，使智能溫度巡檢儀可發(fā)揮多項基本功能。其次，進行調試程序的編寫，在對軟件以及單片機實現(xiàn)調試之后，對8路數(shù)字溫度實現(xiàn)測試，將這8路數(shù)字溫度劃分為兩組，每組4路，一組為Pt100熱電阻測溫系統(tǒng)，另一組為 B分度號熱電偶。而后進一步調試顯示模塊以及報警模塊，在確保系統(tǒng)可以正常運行后，對系統(tǒng)進行優(yōu)化處理。