【產(chǎn)品應(yīng)用方案】基于LH32M0S3的高精度溫度測量方案

1. 引言

溫度是世界上最廣泛測量的物理現(xiàn)象。溫度傳感器主要有熱電偶、RTD、紅外等。PT1000、熱電偶、紅外等作為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測溫元件，被大量應(yīng)用于電廠、建材、煤化工、冶金、供熱、工程機(jī)械熱處理、煤質(zhì)化驗(yàn)等測控領(lǐng)域。本文介紹了基于一款國產(chǎn)數(shù)?；旌闲蚐oCLH32M0S3的高精度溫度測量方案，相較傳統(tǒng)的測溫方案，其測量電路成本大大降低，而測量精度顯著提高。

2.LH32M0S3簡介

2.1. 結(jié)構(gòu)框圖

2.2.功能特性

• 內(nèi)核

— 32 位 ARM?Cortex?-M0 CPU— 最高 32MHz 工作頻率

• 存儲器

— 最大128 KbytesFLASH存儲器— 4KbytesSRAM

• 時(shí)鐘模塊

— 內(nèi)部 32MHz RC 振蕩器(HRC), 典型情況下精度±1%— 內(nèi)部 32KHz RC 振蕩器(LRC), 典型情況下精度±10%— 32.768KHz 低速晶體振蕩器(LXT)

• 工作環(huán)境

— VDD 電壓: 2.2~3.6V— VDDA 電壓: 2.2~3.6V— 溫度范圍: -40~105℃

• 電源管理

— 低功耗模式: 睡眠，深度睡眠和掉電模式— 支持上電/掉電復(fù)位 (POR/PDR)— 支持低電壓檢測 (LVD)

• 通用輸入輸出

— 35個(gè) I/O 支持最高 32MHz 工作頻率— 支持中斷向量

• 高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Sigma-Delta ADC)

— 24 bit 高精度 Sigma-Delta ADC— 最大支持8個(gè)外部輸入通道— 支持單端、差分輸入— 1/2/4/8/16/32/64/128 倍可選增益— 積分非線性（INL）最大30ppm— ADC通道溫漂 2ppm/℃— 輸出速率8Hz~8kHz ENOB≥19.5bit@30sps，PGA=128 ENOB≥15.4 bit@8ksps，PGA=128— 硬件自動切換ADC通道，自動輪詢讀ADC數(shù)據(jù)，中斷通知MCU或DMA— 自帶參考電壓，輸出 1.8/2.35/2.45/2.8V 可選— 集成溫度傳感器/電源電壓檢測通道

• 數(shù)字比較器

— 快速響應(yīng)的數(shù)字比較器

• LCD Driver

— 集成4 COM ， 20SEG 配置— 集成charge pump

• LED Driver

— 最大支持7 x 8 段

• 一路蜂鳴器
• 2個(gè)定時(shí)器

— 4路16bit 高級控制定時(shí)器（TIM1），帶死區(qū)和互補(bǔ)控制的6通道 PWM 輸出— 4路16bit 通用定時(shí)器（TIM2），帶PWM 輸出

• 可編程恒流源

— 8mA,10mA,12mA,20mA— 支持PWM控制

• OLED彩屏DMA加速模塊
• 串行單線調(diào)試 (SWD)
• 封裝

—LQFP48(7mmx7mm)—SSOP24(8.2mmx5.3mm)—QFN48(6mmx6mm)

3.測量原理

3.1. 熱電偶

熱電偶溫度傳感器即鎳鉻－鎳硅熱電偶溫度傳感器，其由兩種不同材料的金屬導(dǎo)體組成閉合回路，一端放在被測介質(zhì)中感受溫度變化，另一端為冷端放置在恒定的工作環(huán)境中，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，在回路中產(chǎn)生一定方向和大小的電動勢。傳感器基本構(gòu)造如下圖所示。

上圖中AI0和AI1為SoC的差分輸入，ACM為SoC的基準(zhǔn)輸出可作為外部傳感器的共模輸入。當(dāng)冷熱兩端溫度不同時(shí)，傳感器可在AI0和AI1上產(chǎn)生mV級信號，將此信號經(jīng)過外部濾波電路后，送入SoC內(nèi)部進(jìn)行信號放大，然后進(jìn)入24位高精度ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，其測量基準(zhǔn)選用內(nèi)部高精度基準(zhǔn)，配置好ADC合適參數(shù)，即可完成溫度范圍所對應(yīng)的電壓值測量。而對于冷端補(bǔ)償，可以使用SoC的內(nèi)部硅溫度傳感器或者一款單總線數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2. 紅外傳感器

熱電堆紅外溫度傳感器中的熱電堆是一種溫度測量元件，它一般由兩個(gè)介面原件組成，分別為Thermopile和Thermistor組成，元件和元件結(jié)構(gòu)示意圖如下：

熱電堆紅外傳感器接收目標(biāo)物的紅外輻射，產(chǎn)生電壓信號(Thermopile 兩端信號)，該電壓信號跟目標(biāo)溫度Tobj 和環(huán)境溫度Tamb 的關(guān)系如下:

V=K(F(Tobj)-F(Tamb))

其中K 是校正常數(shù)；F 為函數(shù)，跟傳感器有關(guān)。

①經(jīng)LH32M0S3內(nèi)置PGA 放大和高精度AD 數(shù)模轉(zhuǎn)換后測出Thermopile兩端信號。

②LH32M0S3對NTC 的電阻阻值進(jìn)行采集(Thermistor 兩端信號)，通過查找溫度-電阻表的方法將環(huán)境溫度Tamb 確定。

③通過計(jì)算或者查表得到目標(biāo)物溫度Tobj。

④得到目標(biāo)溫度后通過LH32M0S3驅(qū)動LCD 顯示實(shí)際溫度，完成紅外測溫到顯示溫度的過程。其他設(shè)置溫度高低閾值及報(bào)警等功能可根據(jù)需求增加。

3.3. RTD

RTD引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同(即r1=r2=r3)，如上圖所示鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，將一根導(dǎo)線(r1)接到電橋的地，其余兩根(r2、r3)分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻，引線電阻的變化對測量結(jié)果沒有影響。

經(jīng)LH32M0S3內(nèi)置PGA 放大和高精度AD 數(shù)模轉(zhuǎn)換后測出MCU_A+和MCU_A-之間差值，通過該差值計(jì)算出PT電阻值，然后根據(jù)PT電阻值計(jì)算出溫度值，得到溫度后通過LH32M0S3驅(qū)動LCD 顯示實(shí)際溫度，完成測溫到顯示溫度的過程。

4. 方案介紹

下圖介紹了基于SoCLH32M0S3實(shí)現(xiàn)RTD，熱電偶，紅外測溫方案，該種測量方案利用AVDD來驅(qū)動三線制RTD或利用SoC內(nèi)部高精度基準(zhǔn)輸出作為熱電偶的負(fù)端參考，將所得到的數(shù)據(jù)送入內(nèi)部24位高精度ADC進(jìn)行計(jì)算分析，而后通過軟件特有的算法對測量得到的值進(jìn)行溫度換算，最后利用內(nèi)部LCD Driver驅(qū)動外部LCD作為溫度的測量顯示。

方案中用到的SoC集成度高，工業(yè)級可靠性，豐富的數(shù)字接口SPI，I2C，UART，內(nèi)部自帶LCD，LED驅(qū)動，24位高精度ADC(ENOB>=19.5bit@30sps,128增益)，低溫漂(2ppm/℃)可編程增益放大器，恒流源以及片上溫度傳感器等可以給各種應(yīng)用提供豐富的可能性。

下圖是demo板接PT1000和福祿克萬用表同時(shí)測量水溫示意圖，從圖中看出測出水溫均為34.4℃。

測試9個(gè)溫度點(diǎn)，繪制曲線如下圖。

5. 總結(jié)

以上溫度測量方案中所用到的芯片屬于內(nèi)部自帶LCD驅(qū)動，24位高精度ADC，低溫漂可編程增益放大器的32位工業(yè)級MCU類的SoC產(chǎn)品，不僅從電路上解決了傳統(tǒng)測溫方案的缺陷，提高了測量精度，而且測量電路的元器件大大的減少，這也正是SoC產(chǎn)品相比較普通MCU加ADC芯片的優(yōu)勢所在。