朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410004）

基于嵌入式動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器的熱電偶溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410004）

針對現(xiàn)有熱電偶測溫方案的缺點(diǎn)，以PIC24FJ128單片機(jī)、ENC28J60網(wǎng)絡(luò)控制器和儀用放大器LTC2053為硬件平臺(tái)，移植Microchip TCP/IP協(xié)議棧，設(shè)計(jì)出基于嵌入式動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器的熱電偶溫控仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了K型熱電偶在-200℃—+1300℃范圍內(nèi)以超過II等級(jí)（±2.5℃）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的精度進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和加熱控制狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的交互，可以方便地推廣到利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測和控制的場合。

熱電偶；II等級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；嵌入式Web服務(wù)器；動(dòng)態(tài)交互

熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價(jià)比的測量寬溫度范圍的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。在-200oC至+2500oC之間的低溫到高溫，熱電偶適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度測量，如過熱蒸汽、爐膛煙溫和飛機(jī)引擎溫度等。但是現(xiàn)有熱電偶測溫系統(tǒng)絕大部分只能實(shí)現(xiàn)溫度分段測量，很難在正、負(fù)溫度的低溫到高溫全區(qū)間合理精度地測量。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)以其良好的通用性和交互性為嵌入式設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接口。文中在嵌入式Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并仿真了熱電偶溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)利用K型熱電偶在-200℃—+1300℃內(nèi)以超過II等級(jí)（±2.5℃）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的精度進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)加熱控制狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的交互。

1.嵌入式Web服務(wù)器的熱電偶溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由PIC24FJ128單片機(jī)、以太網(wǎng)控制器ENC28J60及K型熱電偶TCK等組成。PIC24FJ128是一款16位的高性能單片機(jī)，具有16通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，2個(gè)SPI和I2C模塊等資源，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。ENC28J60是一種只有28個(gè)引腳的以太網(wǎng)控制器，既能提供相應(yīng)的功能，又可以大大簡化相關(guān)設(shè)計(jì)。ENC28J60通過SPI接口與PIC24FJ128相連。系統(tǒng)硬件電路中還有用于熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鱐C1047A、直流電機(jī)、加熱控制LED、SPI接口的EEPROM存儲(chǔ)器25LC256等，如圖1所示。

由于K型熱電偶在-200℃—+1300℃的范圍內(nèi)的輸出電動(dòng)勢為-5.891mV—+52.398mV，每度間分辯率最大值為41μV，最小值僅為15μV，而PIC24FJ128單片機(jī)自帶的10模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能對負(fù)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換結(jié)果為0），且在3.3V的參考電壓下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大分辨率為3.3V/1023≈3.2 mV，所以利用儀用放大器LTC2053對熱電偶的輸出進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。兩個(gè)LTC2053分別對K型熱電偶的正、負(fù)電壓進(jìn)行放大，在±2.5℃的II等級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，理論上正電壓的放大倍數(shù)應(yīng)為3200/（41×2.5）≈31，實(shí)際電路設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為（R15/R4+1）=40；理論上負(fù)電壓的放大倍數(shù)應(yīng)為3200/（15×2.5）≈85，實(shí)際電路設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為（R11/R12+1）=90。電路中的放大倍數(shù)不能太大，否則會(huì)超出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的上限電壓或使干擾信號(hào)放大后被誤轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生錯(cuò)誤的檢測結(jié)果。

圖1 基于嵌入式動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器的熱電偶溫控系統(tǒng)電路

2.熱電偶冷端補(bǔ)償及精度控制算法

在K型熱電偶的輸出電壓和溫度關(guān)系曲線中，-50℃至+350℃范圍內(nèi)線性度較好；低于-50℃和高于+350℃時(shí)，相對于絕對線性度存在明顯偏差。對于有些不太嚴(yán)格的應(yīng)用，公式T=(E+Ec)/j能大大降低計(jì)算量和復(fù)雜度。式中：T為K型熱電偶測量端的溫度；E為實(shí)測熱電偶電動(dòng)勢輸出；Ec為利用其它溫度傳感器所測熱電偶冷端溫度計(jì)算得到的補(bǔ)償電動(dòng)勢；j為熱電偶某段溫度區(qū)間的平均分辨率[4]。

為了在更寬的溫度范圍(-200℃至+1300℃)內(nèi)精密測量，根據(jù)熱電偶經(jīng)典的中間溫度定律，依據(jù)NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫，采用多項(xiàng)式：T=d0+d1W+d2W2……+dNWN，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)擬合處理。式中：T為K型熱電偶測量端的溫度；W為經(jīng)冷端補(bǔ)償后的熱電偶總電動(dòng)勢；dN為多項(xiàng)式系數(shù)，N為多項(xiàng)式的最高階數(shù)。K型熱電偶NIST ITS-90多項(xiàng)式系數(shù)如表1所示。在數(shù)據(jù)擬合之前，需要溫度傳感器TC1047A測出熱電偶的冷端溫度，根據(jù)表1，計(jì)算出應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)勢，再將此電動(dòng)勢與熱電偶輸出電動(dòng)勢組合至上述多項(xiàng)式的W中，從而得到熱電偶測量端的溫度。此過程，共利用了兩次NIST ITS-90多項(xiàng)式，第一次是得到冷端溫度所對應(yīng)的電動(dòng)勢，第二次是得到了熱電偶測量端的溫度。這種算法克服傳統(tǒng)數(shù)字式熱電偶測溫方案中需要建立數(shù)據(jù)量龐大的分度表來存儲(chǔ)和執(zhí)行查表操作。

表1 K型熱電偶NIST ITS-90多項(xiàng)式系數(shù)

當(dāng)然，過去的熱電偶測溫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)此類算法會(huì)受到技術(shù)和成本的限制，如今的嵌入式處理器速度快、性價(jià)比高，解決了這樣的難題。本系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器只有10位，測量誤差為±2.5℃，如果采用內(nèi)置更高位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的處理器，則很容易達(dá)到表1中理論上的誤差范圍。

3.動(dòng)態(tài)Web頁設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)通信架構(gòu)，與客戶機(jī)/服務(wù)器通信架構(gòu)相比，B/S架構(gòu)無需在客戶端上開發(fā)專門的應(yīng)用軟件，只需在瀏覽器上輸入IP地址，就能對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和動(dòng)態(tài)交互。嵌入式服務(wù)器程序設(shè)計(jì)中很重要的工作是動(dòng)態(tài)Web頁的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)使用CGI接口，瀏覽器可以在HTTP內(nèi)部調(diào)用函數(shù)并以網(wǎng)頁的形式接收結(jié)果，即實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，達(dá)到客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互的功能。用于熱電偶冷端溫度檢測的傳感器TC1047A和熱電偶正、負(fù)電動(dòng)勢分別對應(yīng)PIC24FJ128單片機(jī)的AN4、AN6、AN7模擬輸入通道，它們的溫度采集和數(shù)據(jù)處理程序示意性代碼如下：

每一次的熱電偶測量端和冷端溫度值都被刷新并分別保存在字符串AN0String和AN1String中，以便發(fā)往客戶端顯示。

4.系統(tǒng)Proteus仿真

4.1 仿真體驗(yàn)

如圖2所示，在PC機(jī)瀏覽器中輸入LCD或虛擬終端提示的IP地址，就可以看到監(jiān)控頁面，通過動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁可對溫度、電機(jī)狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測。為使仿真簡單明了，冷端溫度由溫度傳感器TC1047A設(shè)為0℃。從網(wǎng)頁中可以看到，此時(shí)的K型熱電偶的測量端溫度為1201.9℃，圖1中的K型熱電偶仿真溫度為1202℃，誤差僅為0.1℃，系統(tǒng)的測量精度達(dá)到甚至超過II等級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 注意事項(xiàng)

系統(tǒng)采用Microchip TCP/IP協(xié)議棧，并采用Microchip提供的簡單文件系統(tǒng)MPFS來存儲(chǔ)網(wǎng)頁及其它相關(guān)文件。MPFS映像存儲(chǔ)在片外的SPI或I2C接口的EEPROM中。為了簡化MPFS文件系統(tǒng)映像的生成操作，協(xié)議棧提供了一個(gè)便于使用的工具軟件MPFS.exe，在每一次修改網(wǎng)頁相關(guān)文件內(nèi)容后，必須執(zhí)行批處理命令文件CreateImage.bat來生成新的MPFS文件系統(tǒng)的完整映像。需要注意的是，生成的映像文件大小不要超過EEPROM的容量。為了刷新EEPROM對新生成的映像文件的綁定，還需要單擊Proteus軟件中的debug/Reset Persistent Model Data菜單。

圖2 熱電偶溫控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)交互網(wǎng)頁效果圖

5.結(jié)語

基于嵌入式動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器的熱電偶溫控系統(tǒng)調(diào)試簡單、精度高、測溫范圍寬、成本低，實(shí)時(shí)交互性強(qiáng)，與大多數(shù)熱電偶測溫系統(tǒng)相比，優(yōu)點(diǎn)明顯。系統(tǒng)還可根據(jù)實(shí)際需要，更改嵌入式處理器，來選擇相應(yīng)位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，從而使性價(jià)比最高。通過Proteus仿真能使我們將主要精力放在系統(tǒng)方案論證與實(shí)現(xiàn)上，擺脫對純硬件的依賴，便于分工協(xié)作，從而提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。本文的方案很容易推廣到其它類型的熱電偶溫控系統(tǒng)中。

[1]Microchip TCP/IP Stack [EB/OL].http://www.microchip.com, 2011-07-18.

[2]彭偉.單片機(jī) C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn) 100例——基于PIC+Proteus仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]朱志偉.Proteus的嵌入式動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器設(shè)計(jì)與仿真 [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013,(6)：29-31.

[4]張海濤，羅珊，郭濤.熱電偶冷端補(bǔ)償改進(jìn)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011,(7)：11-14.

[5]Maxim戰(zhàn)略應(yīng)用工程師.利用先進(jìn)的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實(shí)現(xiàn)高精度溫度測量[J].世界電子元器件，2012,(2)：44-48.

[6]陳明寶.熱電偶溫度測量模塊硬件性能研究[J].自動(dòng)化與儀表，2012,(6)：16-19.

TP 391

B

1671-5136(2014)01-0123-03

2014-03-19

2012年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：12B011）。

朱志偉（1976-），男，湖南衡山人，長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院副教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與電子技術(shù)。