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