張文建，趙路佳，吳　鵬，王潤芳

(1.華北電力大學(xué) 機械工程系，河北 保定　071003； 2.華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定　071003)

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基于STM32的溫濕度變送器設(shè)計

張文建1，趙路佳1，吳鵬1，王潤芳2

(1.華北電力大學(xué) 機械工程系，河北 保定071003； 2.華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定071003)

針對目前常見的電流型溫濕度變送器恒流輸出特性較差、精度較低、校準(zhǔn)繁瑣的不足，給出了一種基于STM32單片機的溫濕度變送器設(shè)計方案;該電路以STM32單片機為控制核心，以SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度;通過STM32的內(nèi)部12位D/A輸出模塊將溫濕度轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號;隨后，該電壓信號通過V/I轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?～20 mA的模擬電流信號;研究了常見V/I轉(zhuǎn)換電路的原理并提出改進電路方案;最后，基于STM32的內(nèi)部FLASH存儲功能給出了一種上位機軟件校準(zhǔn)方案;通過對比仿真和實驗表明，該變送器具有成本較低、恒流特性較好、精度較高、校準(zhǔn)快捷方便的優(yōu)點，能夠滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常規(guī)溫濕度測量的要求。

溫濕度;變送器;電流輸出;軟件校準(zhǔn)

0　引言

日常生活中，溫度和濕度是兩個很重要的物理參數(shù)，它不但與人們的身體健康密切聯(lián)系，而且與科學(xué)研究、技術(shù)、倉儲管理、機房管理等多方面都息息相關(guān)[1]。

溫濕度變送器是能夠?qū)h(huán)境溫濕度轉(zhuǎn)換為電信號的裝置[2]。目前常見的4～20 mA電流輸出型溫濕度變送器多是采用PWM方波加RC低通濾波器的方式模擬D/A轉(zhuǎn)換，進而通過V/I電路輸出電流的方案。該方式容易出現(xiàn)高頻擾動，且輸出線性度不佳。實踐發(fā)現(xiàn)，其V/I轉(zhuǎn)換電路恒流輸出特性不佳，外接不同負(fù)載電阻時，其輸出電流也會不同，降低了測量精度。

針對上述問題，本文采用帶D/A功能的STM32單片機作為主控器。同時改進了V/I轉(zhuǎn)換電路。并提出了一種基于上位機軟件的軟件校準(zhǔn)方案。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。溫濕度變送器硬件由SHT11溫濕度傳感器、STM32單片機模塊、V/I轉(zhuǎn)換電路和電源模塊組成。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　硬件結(jié)構(gòu)

2.1電源模塊

溫濕度變送器的電源設(shè)計是保證溫濕度變送器穩(wěn)定運行的重要因素。電源模塊電路原理如圖2所示。采用LM2596-5.0開關(guān)穩(wěn)壓芯片將24 V電源電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓。L2和C4組成LC低通濾波器，從而減弱開關(guān)電源的紋波擾動。采用AMS1117-3.3芯片將電壓5 V轉(zhuǎn)為3.3 V。經(jīng)過兩級降壓后，系統(tǒng)功耗大大降低，工作時的散熱也減小了很多，增加了穩(wěn)定性[3]。采用TL431可控穩(wěn)壓源產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓，并將其作為STM32單片機的D/A參考電壓。數(shù)字地和模擬地單點連接于電感L3。

圖2　電源模塊原理圖

2.2傳感器模塊

傳統(tǒng)的模擬溫濕度傳感器在使用上后續(xù)電路處理較為麻煩，同時也需要對傳感器進行標(biāo)定[4]。故本文采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器具有功耗低、互換性好、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[5]。

圖3是SHT11傳感器與STM32單片機連接原理圖，電容C1用于去耦濾波。

圖3　SHT11傳感器原理圖

2.3V/I轉(zhuǎn)換電路

V/I轉(zhuǎn)換電路是將電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號的電路。圖4是常見的溫濕度變送器的V/I轉(zhuǎn)換電路。

圖4　常見V/I轉(zhuǎn)換電路

該電路的關(guān)系式為：

(1)

由公式(1)可知Iout與Uin近似成正比例關(guān)系。但是該電路是建立在正負(fù)反饋平衡的基礎(chǔ)上，即

(2)

由于電阻誤差的存在，式(2)往往不相等。正負(fù)反饋失去平衡會影響電路的恒流輸出特性，使得輸出電流會隨著負(fù)載電阻的不同而變化。

本文改進后的V/I轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5　改進后V/I轉(zhuǎn)換電路

假設(shè)三極管Q1、Q2的直流放大系數(shù)分別為β1和β2。由三極管的放大特性和運放的“虛短”和“虛斷”特性分析可得：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由式(4)、(5)、(7)和歐姆定律可得：

(9)

由式(6)、(8)可得：

(10)

又由：

(11)

得：

R1·i6=R2·i3

(12)

將式(9)、(10)代入式(12)，可得:

(13)

式(13)中，Ui是STM32單片機的12位D/A模塊輸出的電壓，其值滿足下式：

Ui=Uref×DOR/4095

(14)

式(14)中，Uref是D/A模塊參考電壓2.5 V，DOR是D/A給定值，其范圍是0～4095。

將式(14)代入式(13),可得：

(15)

令：

(16)

將式(16)代入式(15)可得：

Iout=K·DOR

(17)

式(16)中，三極管的直流放大系數(shù)β1和β2不是常數(shù)，它與三極管的集電極電流、環(huán)境溫度等多種因素有關(guān)?？紤]到Q1和Q2的放大倍數(shù)一般都大于40，因此在誤差允許范圍內(nèi)，可以近似的認(rèn)為β1>>1，β2>>1，因此可得：

(18)

將式(18)代入到式(16)可得：

(19)

忽略電阻的溫漂，可近似認(rèn)為K是常數(shù)。由此可知，Iout和DOR近似成正比例關(guān)系。

特別是圖5中，D1、D2、D3、D4四個二極管的作用是使得u3電壓低于運放供電電壓VDD約3 V左右，從而避免u1-電壓值在i6較小時接近VDD而使得運放輸出失真。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1上位機校準(zhǔn)軟件設(shè)計

由式(17)～(19)可知，Iout和DOR近似成正比例關(guān)系，只需獲得Iout=20 mA時的DOR值就可以計算出比例系數(shù)。因此，校準(zhǔn)原理就是，通過上位機校準(zhǔn)軟件調(diào)整Iout，使之輸出電流為20 mA，并將此時的DOR值固化到Flash中，就可以完成對變送器的校準(zhǔn)。

軟件界面如圖6所示。上位機校準(zhǔn)軟件的具體使用步驟如下：

1)選擇相應(yīng)的COM端口號，通過串口連接上位機校準(zhǔn)軟件和溫濕度變送器。

2)拉動第一個滾動條使變送器溫度輸出口輸出20 mA。

3)拉動第二個滾動條使變送器濕度輸出口輸出20 mA。

4)單擊“結(jié)束校準(zhǔn)”按鈕完成校準(zhǔn)。

圖6　上位機校準(zhǔn)軟件

3.2溫濕度變送器軟件設(shè)計

溫濕度變送器軟件分為主程序和若干個子程序，子程序包括D/A輸出、SHT11驅(qū)動、內(nèi)部Flash讀寫和串口通訊4部分。溫濕度變送器軟件流程如圖7所示。

主程序啟動后，首先讀取內(nèi)部Flash中校準(zhǔn)完成標(biāo)志量來確認(rèn)變送器是否已經(jīng)校準(zhǔn)過。若沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，則程序進入校準(zhǔn)程序。校準(zhǔn)程序循環(huán)檢測是否收到串口命令，收到串口命令后根據(jù)命令執(zhí)行溫度電流增加、溫度電流減小、濕度電流增加、濕度電流減小動作。校準(zhǔn)程序收到結(jié)束校準(zhǔn)命令時，將當(dāng)前的DOR數(shù)值存入內(nèi)部Flash中固化，并將校準(zhǔn)完成標(biāo)志量置為TURE，最后跳出循環(huán)回到主程序。主程序讀取SHT11傳感器的溫濕度數(shù)值，并且按照內(nèi)部Flash中固化的校準(zhǔn)參數(shù)進行線性換算，最終轉(zhuǎn)化為電流值輸出。若變送器經(jīng)過校準(zhǔn)，則主程序直接跳到讀取SHT11傳感器那一步。

圖7　溫濕度變送器軟件流程圖

4　實驗結(jié)果分析

4.1恒流輸出仿真實驗

將常見溫濕度變送器的V/I轉(zhuǎn)換電路和本文所改進的V/I轉(zhuǎn)換電路進行對比仿真實驗?？紤]到常用電阻誤差為1%的情況，令圖4電路中的電阻R7=101 K，R8=99 K，R9=99 K，R11=101 K。采用Multisim仿真軟件搭建圖4中電路進行仿真。其恒流輸出特性仿真結(jié)果見表1。

表1　圖4中V/I轉(zhuǎn)換電路恒流輸出特性仿真

同樣，令圖5中電路的電阻R1=505 Ω，R2=1.01 K，R6=198 Ω。仿真結(jié)果見表2。

從表1中可以看出，圖4中V/I轉(zhuǎn)換電路在電阻誤差為1%且Ui為2 V不變的情況下，Iout隨著RL的不同而改變。而本文改進后的V/I轉(zhuǎn)換電路在相同條件下，隨著RL的不同，Iout基本不變。因此改進后的電路恒流輸出穩(wěn)定性更好。

表2　改進后V/I轉(zhuǎn)換電路恒流輸出特性仿真

4.2精度實驗

由于溫濕度變送器溫度和濕度采用完全相同的V/I轉(zhuǎn)換電路，故本文只進行溫度測量的精度實驗，檢驗V/I轉(zhuǎn)換電路的精度。溫度測量量程為0～100 ℃，即0～100 ℃對應(yīng)4～20 mA。

給SHT11傳感器加上防水保護套，放入HWB1-40高精度半導(dǎo)體恒溫水浴儀中，記錄標(biāo)準(zhǔn)水浴溫度值和溫度電流輸出值。結(jié)果見表3。

表3　溫度精度實驗

由表3可以得出，本文所設(shè)計的溫濕度變送器溫度測量相對誤差小于1%。又由SHT11傳感器官方手冊可知，SHT11傳感器在0～65 ℃之間溫度測量會有±1%的測量誤差，故可知，V/I轉(zhuǎn)換電路并未降低傳感器的原始精度，該溫濕度變送器測量誤差在允許范圍內(nèi)。

6　結(jié)束語

本文設(shè)計的溫濕度變送器以STM32的D/A轉(zhuǎn)換取代傳統(tǒng)的以PWM模擬的D/A轉(zhuǎn)換。該方案有效地減少了V/I轉(zhuǎn)換電路的輸入諧波干擾，提高了轉(zhuǎn)換精度。仿真和實驗結(jié)果表明，該變送器恒流輸出特性較好并且測量精度較高，能夠滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)溫濕度測量的要求。同時，該變送器均選用廉價電子元器件，故其成本較低，具有很大的推廣使用價值。該變送器V/I轉(zhuǎn)換電路有一定的發(fā)熱現(xiàn)象，故使用時必須將SHT11傳感器通過長引線和主電路板分離才能保證測量精度，故如何消除電路發(fā)熱現(xiàn)象還需做進一步研究。

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Design of Temperature and Humidity Transmitter Based on STM32

Zhang Wenjian1，Zhao Lujia1，Wu Peng1，Wang Runfang2

(1.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding071003,China; 2.Department of Automation,North China Electric Power University,Baoding071003,China)

Today’s common current-output temperature and humidity transmitters have some deficiencies such as poor characteristic of constant current output,low accuracy and cumbersome calibration. This paper presents a design of the transmitter based on STM32 microcontroller in order to make up for the deficiencies. With the STM32 as the core controller,the circuit gains the temperature and humidity signals by SHT11 digital sensor. The signals are converted to analog voltage signals via the internal 12-bit D/A module of STM32 microcontroller. After which,the voltage signals become 4 ～ 20 mA analog current signals through the V/I converter circuit. This paper studies the principle of the V/I converter circuit and then optimizes the circuit. At last,this paper presents a calibration scheme based on PC software. The simulation and experimental results show that the transmitter has advantages such as good constant current characteristic,high precision,easy and fast calibration. These superiorities of the transmitter meet the requests of conventional temperature and humidity measurement in industrial and agricultural production.

temperature and humidity;transmitter; current output; software calibration

1671-4598(2016)04-0287-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.083

TP212

A

2015-11-13；

2015-11-26。

張文建(1957-)，男，四川中江人，碩士，教授，主要從事CAD/CAM與企業(yè)信息化方向的研究。