系统解决方案 基于ＰＳｏＣ的温度测量系统的设计 王建菊 。陈林’，方萧 （１．武昌职业学院，武汉４３０２０２；２．北京瑞阳恒兴科技有限公司，北京１０００９６） 摘 要：介绍基于可编程片上系统ＰＳｏＣ的温度测量系统的设计思路和实现过程，实现了温度的高精度测量。 关键词：温度测量；ＰＳｏＣ；ＰＴ１０００；Ｍｏｄｂｕｓ通信 中图分类号：ＴＨ７０２ 文献标志码：Ｂ 在日常生活和工农业生产中，温度是普遍的检测 参数之一 】］。以往的温度测量系统以单片机为控制核 心，系统设计较为复杂，硬件成本开销很大Ｅ２］。片上可 编程系统ＰＳｏＣ因在其芯片内部集成了丰富的模拟和 数字模块，外围电路功能都可以在芯片内部完成，降 低了系统成本及复杂性，极大提高了开发效率。另外， 其具有动态可编程特性．对相关的器件参数进行配 置，可以很好地用于压力、流量等的测量，因而具有很 好的可拓展性［３］。 １温度检测系统结构 温度检测系统的主要功能是完成对多路温度信 号的高精度测量。系统结构如图１所示，主要包括：热 电阻传感器测量单元、电源、ＰＳｏＣ５微控制器、上位机。 图１ 多路温度测量系统结构 温度测量单元通过热电阻Ｖ／Ｆ转换电路将温度 信号转换为电压输出，与模拟多路复用器相连。ＰＳｏＣ 为整个系统的核心部分．完成对多路输入信号的采 集、运算、存储、结果显示和通信管理等工作。上位机 通过ＲＳ一４８５通信与ＰＳｏＣ控制核心相连。程序采用 Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．０编写，用于接收数据并在上位机中 作者简介：王建菊（１９８７一），硕士研究生，从事嵌入式技 术方面的研究工作。 收稿日期：２０１７ ０４．１９ 显刀 。 １．１热电阻传感器测量原理 热电阻检测温度的原理：利用热电阻的阻值与温 度成比例的关系，通过检测电阻值的大小来确定检测 对象的实际温度。由于设计对温度测量的高精度要 求，测量电路必须具有没有温度漂移、没有引线电阻 影响、抗干扰能力强等优点。因此选择铂热电阻三线 制电桥电路接法 。热电阻测量电路原理如图２所示， 系统通过检测ＴＰＡ和ＴＰＢ引脚的电压差。计算出对 应的温度值。设计使用ＴＰＳ５４３０作为测量电路５Ｖ的 供电芯片，通过ＬＭ１１１７三端可调正稳压器把５Ｖ的 电压转换为测温电路中所需的３．３Ｖ电压。 ＿＿ 』一 ｌ。． 图２热电阻测量电路原理 针对高精度的要求，采用分段线性插值法来计算 对应的温度。铂热电阻的阻值与温度的关系为： Ｒｔ＝Ｒ０［１＋Ａ ＋Ｂ 。＋Ｃ（１—１０ｏ）ｔ。］，一２００ ℃＜ ＜０ ｃｃ （１） Ｒ ＝Ｒｏ（１＋Ａｔ＋Ｂｔ２），０＜ｔ＜８５０ｏＣ （２） 式中， 。为温度为０℃时的铂电阻的电阻值，Ｒ。＝ １０００ Ｑ； 为温度为ｔ时的铂电阻阻值；Ａ，Ｂ，Ｃ为常 数，Ａ＝３．９０８３ｘ１０ ｏＣ～；Ｂ＝一５．７７５￣１０ ℃之；Ｃ：一４．１８３ｘ １０一 ℃－４。 由测量电路原理图可得出铂电阻的输出电压。计 算公式为： Ｉ／ ｃｃ×Ｒｏ一一 ｔ （３） １．２片上测量电路和信号处理电路 由式（３）可知，输出电压范围为Ｏ．７６～０．９９ Ｖ。输出 自动化应用 ２０１７｛５期 １２ 系统解决方案 添渗慧黪鬻 篱 电压接入多路复用器ＡＭｕｘ一１和ＡＭｕｘ一２的输入引 脚，由于每一通道都是被连接到放大电路的同相输入 端ＯＰ１＿１和反相输入端ＯＰ１—２，所以开关复用器工作 模式选择单端模式。ＰＳｏＣ片内的通用运算放大器信 号增益设置为Ａｕ＝Ｒ４９／Ｒ４７＝５，电压变化范围为３．８～５ Ｖ，经过放大的电压可以直接输入到ＡＤ转换器中。 ＰＳｏＣ片上模拟电路设计如图３所示。 昌 －＿ｌ ｕ Ｒ４６ 著嚯 口 ０Ｐ１１ 黑 ｌＯＫ Ｒ４７ 口 ＯＰ１＿ｌ２ — ———＿—一— ｎ 。、１ＯＫ ２ 图３ ＰＳｏＣ片上模拟电路设计图 ＰＳｏＣ５ＬＰ内部包含有两种类型的ＡＤ模数转换 器。△一ＥＡＤＣ和逐次逼近型ＡＤＣ。根据设计对高精度、 高密度的要求，采用Ａ—ＥＡＤＣ转换器。△一ＥＡＤＣ由一 个输入放大器、一个３阶△一∑调制器和一个抽取器组 成。△一ＥＡＤＣ配置为１６位，单采样模式，采样时钟频 率为２８００ ｋＨｚ，参考电压为Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｖｄｄａ／４，输入电压 范围为２．４５～６．２５Ｖ。除了模拟模块的应用外，还采用 了定时器Ｔｉｍｅｒ、Ｅ２ＰＲＯＭ、异步通信ＵＡＲＴ等固件资 源完成整个硬件设计。 ２温度检测的软件设计 ＰＳｏＣ５ＬＰ平台上的的软件设计是在ＰＳｏＣ Ｃｒｅａｔｏｒ 集成开发环境基础上实现的，使用Ｃ语言完成程序的 初始化部分和各功能模块的编写，程序采用模块化结 构。主要包括温度信号采集、数据温度值处理、数据存 储以及Ｍｏｄｂｕｓ通信和发送程序，并通过调用ＧＮＵ编 译器套装ＧＣＣ，生成与原理图中ＩＰ核相对应的ＡＰＩ， 经过一系列的编译、链接最后生成十六进制文件，下 载到芯片中。 主程序的设计流程如图４所示。系统上电后，完 成元件初始化，包括：多路模拟复用开关 ＡＭｕｘ１一一Ｓｅｌｅｃｔ（ｎｕｎ）和ＡＭｕｘ＿２＿Ｓｅｌｅｃｔ（ｎｕｎ）、模数 转换器模块ＡＤＣ、放大器Ｏｐｍａｐ、定时器Ｔｉｍｅｒ、异步 串行通信ＵＡＲＴ等；初始化完成后读取１０路通道的 ＡＤ值．然后在Ｍｏｄｂｕｓ通信中判断是否向Ｅ２ＰＲＯＭ 写入数据：数据存储后测量１０路温度值，经处理后的 温度值通过串口发送出去，经定时器清零；最后返回 主程序继续读取下一次温度。 １３ ｗｗｗ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｍ 自动化应用 图４主程序流程图 温度值的采集是使用ＧｅｔＡＤ（）函数读ＡＤ值并存 储于二维数ＡＤ—ａｒｒｙ［１０］［５０］中，为保证每一个通道 所取的５０个ＡＤ值是离散采样的，将１０路通道的值 纵向存储在数组中，对选取的５Ｏ个ＡＤ值采用滑动的 算术平均滤波法处理，使温度值更加准确。定时器１、２ 同步工作。定时器１配置为串口接收定时，周期为 ２０ｍｓ，定时器２为ＡＤ采样定时，周期为ｌｍｓ，对于每 一通道的５０个ＡＤ值．其采样时间为５０ｍｓ．满足数据 刷新频率（１ｓ，５０点／次）的要求。由于分段线性插值法 运算量偏大，采用查表法与线性标注变换相结合的方 法实现传感器信号与具体温度值的转换。实际温度值 与ＡＤ转换后的数字量关系曲线如图５所示。 Ａ Ａ ／／ Ａ。 Ｎ。 Ｎ Ｎ 图５线性标注变换原理 转换公式为： Ａ ｎ＋ Ｎ ｘ（Ａ Ａ ｛ Ｎ 式中，Ⅳ０和Ⅳｍ分别为转换后的某区间的上下限 数字量，Ａ。和Ａ 分别为对应温度值的上下限，Ａ 为 某一ＡＤ值的实际温度值。设计中，以５０℃的间隔来 标定温度，在一５０～＋８５０℃的温度范围内，可以制作一 张整度数的分度表，在每个整度数区间都有对应的间 函数。为了不出现浮点数，将所测的ＡＤ值都放大１０ 倍，其中０ ５０℃区间温度值计算函数如下： 系统解决方案 ｉｆ（（ａｄ—ｒｅｓｕｌｔ＜＝Ｊａｒｒｙ［２］）＆＆（ａｄ—ｒｅｓｕｌｔ＞Ｊａｌ’ｒｙ［１］））／／ ０～５０ ｛ｔｅｍｐ＝（（ｆｌｏａ０ａｄ—ｒｅｓｕｌｔ：ｌ：１．００２ ｏａｔ）Ｊａｒｒｙ［１］） （５ｏ ０．０／ （ｌｆｏａｔ）（Ｊａｒｒｙ［２］一Ｊａｒｒｙ［１ ） 为保证测量的温度值精度能达到要求，在程序中 设计ｒ误差补偿函数，部分程序代码如下： ｔｅｍｐｓ＝ｔｅｍｐｓ／ｌ ０．０； 通道教 口 趣腱上雅 酾…… 溢虞下限 甄…一 ｉｆ（ｔｅｍｐｓ＜＝０．０） ｛ｔｅｍｐｓ．＝ｔｅｍｐｓ－（０．５／２５．０）：Ｉ：（２５．０－ａｂｓ（ａ｝） ｅｍｐ＋２５．０））；｝ 图６标定软件操作界面 参考文献 ［１］孙芝雨，伍先达，周思林．高精度温度测量系统设计『Ｊ］． ３操作界面 设计使用ＶＢ６．０作为上位机的标定软件界面，用 来显示下位机传同的数据和实时ｆ｝｝１线，标定软件操作 界面如图６所示。 自动化与仪表，２００６，２１（１）：３Ｏ一３２． ［２］刘国强，唐东红，李兴伟．基于ＡＴ８９Ｃ５１单片机的高精 度测温系统的研制［Ｊ］ｌ仪器仪表学报，２００５，２６（８） ２５８—２５９． 【３］吴东艳，韩喜春，高旭东．ＰＳｏＣ在高精度温度测量中的 应用ｆＪ］．黑龙江工程学院学报，２０１３，２７（２）：４５—４９． ［４］方益喜，雷开卓，屈健康，等．基于ＰＴ１０００的高精度温 度测量系统［Ｊ］．电子设计３－程，２０１０，１８（１０）：７９．８１． ［５］河宾．ＰＳｏＣ模拟与数字电路设计指南［Ｍ］．北京：化学 工业出版社．２０ｌ２． ４结语 基于ＰＳｏＣ的多点温度测量控制系统与传统的单 片机温度检测系统相比．电路设计大大简化．节约了 开发时间和成本。 （上接第５页） 大大提高了资源的利用效率和缓解了资源的紧缺状 况，在城市路灯： 能改造方面具有很高的实用价值。 控制器自动运行后，会根据传感器做ｍ相应的状 态．利片ｊ光敏传感器来控制当前是一天还是夜晚．如 果是ｈ天的话，会继续根据下一个温湿度传感器进行 判断当前天气状况是不是阴雨天的特殊天气．如果是 特殊天气就缓慢打开ＬＥＤ灯照明，如果不是特殊天气 就缓慢的关闭ＬＥＤ灯。如果光敏传感器检测到是夜晚 参考文献 ［１］董辉．无线传感器网络中的节点关联规则挖掘［ＪＪ．传 感技术学报，２００７，２０（８）：１８７５，１８８０。 ［２］潭浩强．Ｃ语言程序设计［Ｍ］．第四版．北京：清华大学出 版社．２０１０． 状态就会进入到红外传感器判断Ｔ作中， 有人来或 者有车要经过路灯时，提前缓慢开肩ＬＥＤ灯会，以便 在行人和车辆未到之前提供照明，减少ｊ，危险的发 生 、当检测到没有行人和者车辆经过或者行人和４ 辆 经过之后走远了时候，会自动缓慢地关闭ＬＥＤ灯。以 节约电量的耗损，从而达到节能减排的效果． ．［３］张才华．余威明．单片机原理及应用［Ｍ］．北京：航空工 业出版社． 【４］颜晖．Ｃ语言程序设计实验指导［Ｍ］．北京：高等教育出 版社．２００８． ［５］ＫｉｎｇＫＮ．Ｃ语言程序设计：现代方法［Ｍ］．吕秀锋，黄 倩，译．第二版．北京：人民邮电出版社．２０１０． 【６］邵子扬．新型智能节能路灯的设计［Ｊ］．世界电子元器 件．２００９（２）：７８—８１． ５结语 Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｔｒｅｅｔ ｌａｍｐ系统是一种全新的设计思 路，为现在城市路灯升级改造提供了更为简便的途径， ［７］胡开明．李跃忠．卢伟华．智能路灯节能控制器的设计 与实现［Ｊ］．现代电子技术，２００９，３２（９）１４３—１４５． 自动化应用 ２０１７ ５期 ｌ４
