２０１７拄　第５期　仪表技术与传感器　

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２０１７　

Ｎｏ．５　

基于ＳＴＭ３２的高精度恒温控制系统设计　黄琦　，韩广源　，吴瑞东　，刘　毅　，杨世强　，张明江。．－，张建忠　，　（１．太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原０３００２４；　２．太原理工大学物理与光电工程学院，光电工程研究所，山西太原０３００２４；３．太原世诺科技有限责任公司，山西太原０３００２４）　

摘要：针对分布式光纤拉曼测温系统中定标光纤和雪崩光电二极管（ＡＰＤ）的温控要求，设计了一　套基于ＳＴＭ３２的高精度恒温控制系统。系统采用上下位机结构．上位机负责设定温度值和显示温度数　据，下位机根据上位机的设定值利用ＰＩＤ算法对恒温箱的温度进行控制。实验结果表明：在２２℃的室　温下，定标光纤温度稳定在（１０＋０．１）℃，ＡＰＤ温度稳定在（５￣０．００５）ｏＣ，上位机可准确反映温度的数值　和变化趋势。整套恒温系统能够满足分布式光纤拉曼测温系统的温控要求。　关键词：ＳＴＭ３２；高精度；温度；ＳＴｅｍｗｉｎ；ＰＩＤ算法　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１８４１（２０１７）０５—００７１－０４　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｏｕｓ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ＨＵＡＮＧ　Ｑｉ　，ＨＡＮ　Ｇｕａｎｇ—ｙｕａｎ　，ＷＵ　Ｒｕｉ—ｄｏｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙｉ　，ＹＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｑｉａｎｇ　，　ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎｇ－ｊｉａｎｇ　．ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎ—ｚｈｏｎｇ　’　（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，　Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈｉ　Ｎｕｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｐｈｏｔｏ　ｄｉｏｄｅ（ＡＰＤ）ｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　Ｒａｍａｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｕｐｐｅｒ　ａＭ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃａｎ　ｓｅｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｔｅｍｐｅｒａ・　ｔｕｒｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｉｎｃｕｂａｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＰＩＤ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＡＰＤ　ｃａｎ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅ　ａｔ（１０￣０．１）℃ａｎｄ（５±　０．００５）ｏＣ　ａｔ　ｌｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　２２　ｏＣ．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃａｎ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｔｒｅｎｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ　ｂｅｌｉｅｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　Ｒａｍａｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ＳＴｅｍｗｉｎ；ＰＩＤ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

０引言　分布式光纤拉曼测温系统是利用后向拉曼散射　光的温度效应进行温度探测的新型传感系统…。系　统以光纤作为传输和传感介质，相对其他的测温方法　具有抗电磁干扰、测量距离长、本质安全等优点，已广　泛应用在油气管道、隧道等领域ｌ２　］。　在分布式光纤拉曼测温系统中，各器件的参数受　基金项目：国家自然科学基金面上项目（６１３７７０８９）；山西省科　技攻关项目（２０１４０３２１００３—１）；山西省高等学校优秀青年学术　带头人支持计划（２０１２１ｆｊｙｔ０８）；山西省煤基重点科技攻关项目　（ＭＱ２０１４－０９）；山西省煤层气联合研究基金资助项目　（２０１５０１２００５）　收稿日期：２０１６－０７－０９　环境温度的影响极易发生改变，严重影响系统的稳定　性和测温准确性．其中定标光纤和ＡＰＤ尤为突　出［２ｌ４　］，故需对两者进行必要的温度控制。常见恒温　箱的温控误差在±０．１℃左右，且仅可对单点的温度进　行反馈控制．无法达到很好的控温精度和温度均匀　性。本文提出了一种基于ＳＴＭ３２的温度控制系统，通　过上下位机分工协作，实现了高精度均匀控温，同时　可通过上位机设定所需的温度及查看当前的温度值，　保证了分布式光纤拉曼测温系统的测温精度。　１恒温系统的硬件设计　整个恒温系统如图１所示，主要由上位机电路、下　位机电路和电源管理部分组成。上位机电路实时显　７２　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｍａｙ．２０１７　示下位机传输的数据并绘制成不断更新的曲线，可对　历史数据进行保存并通过ＵＳＢ传输到电脑端进行后　续处理。下位机电路主要根据上位机设定的温度值，　并通过温度传感器测得的温度值不断调整制冷片和　散热模块的功率，实现对温度的闭环控制。电源管理　部分主要对上位机电路和下位机电路进行供电。　电源管理卜＿］　，｛珊Ｈ温黩感ｌＴ　位一　—　下—］　位　机ｒ——————Ｊ　ｌ　ｌ　Ｌ————］　机　ｒＪｌ－——］ｒ—　Ｌ—］电　晕吾ｆ数据传输ｌ　Ｉ数据存储ｆ　散热　ＩＩ制冷片ｌ路　ｌ　模块　ｌ　ｌ　模块　ｌ　ｌ　模块ｌ　ｌ驱动模块Ｉ　图１系统总体结构图　１．１上位机硬件设计　为实现较好的人机交互，上位机主控选用３２位　ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＩＧＴ６微控制器。此芯片基于高性能的　ＡＲＭ　Ｃｏｄｅｘ—Ｍ４　ＲＳＩＣ内核　Ｊ，时钟频率１６８　ＭＨｚ．包　含１　Ｍ字节的Ｆｌａｓｈ．１９２　Ｋ字节的ＳＲＡＭ．另有可变静　态存储控制器（ＦＳＭＣ）和ＵＳＢ　２．０全速ｄｅｖｉｃｅ控制器　以及安全数字输入输出（ＳＤＩＯ）和控制器局域网络　（ＣＡＮ）总线，能够满足上位机的设计要求。　上位机电路主要由人机交互模块、数据传输模块　和数据存储模块组成，其控制原理如图２所示。人机　交互模块选用７”ＴＦＴ屏完成显示和触摸操作（１”＝　２．５４　ｃｍ），控制器为ＲＡ８８７５，其最大支持８００ｘ４８０点　分辨率且集成触摸控制器。ＲＡ８８７５通过ｓＴＭ３２Ｆ４０７　的ＦＳＭＣ控制器驱动可在ＴＦＴ屏上显示温度的数值　和变化趋势，并可根据用户的触摸操作执行特定的指　令。数据传输模块包含与下位机的数据传输和与ＰＣ　端的数据传输，前者选用高可靠性的ＣＡＮ总线通信，　ＣＡＮ收发芯片选用ＳＮ６５ＨＶＤ２３０：后者通过全速　ＵＳＢ２．０控制器实现ＰＣ端对内存卡中数据的读写。　数据存储模块包含２　Ｍ字节的外部高速ＳＲＡＭ　（ＩＳ６１ＷＶ１０２４１６ＢＬＬ）用于对温度数据的缓存，２　Ｇ字　节的Ｍｉｃｒｏ　ＳＤ卡用于历史数据的长期保存。　囤＜　回㈤　固＜　图２上位机控制原理图　１．２下位机硬件设计　下位机电路主要实现对恒温箱具体的温度控制。　如图３所示。同样选用硬件资源丰富的　ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＩＧＴ６微控制器作为主控芯片＿８］，其具有ｌ７　个定时器，１４０个具备中断功能的Ｉ／Ｏ口，３个串行外　设接口（ＳＰＩ）且可通过编程将普通Ｉ／Ｏ口复用为集成　电路（ＩＩＣ）接口，能够满足下位机的控制要求。　ＴＢＣ３　ＡＤＴ７４ｌＯ　Ａ　ＡＤＴ７４１０　Ｂ　。ｒ　ｉｖｅｒ３　Ｄ　ｑ　＿户ｑ　＿ｐ　

ＰＩＭ　ＰＤ１；　嚣　蹩ｕｏ．

ｃ，１￣￣　ＰＡ　９　蹴糍瓤咖　

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图３下位机控制原理图　分布式光纤拉曼测温系统的恒温箱采用内外２层　的结构，外层放置定标光纤，内层放置ＡＰＤ，故温度传　感模块分为两部分。外层恒温室空间较大，为实现较　好的温度均匀性，在其底部和顶部分别放置了温度传　感器Ａ，Ｂ；而内层恒温室空间较小且通过铜块导热，　故只放置了１个温度传感器Ｃ。由于定标光纤设计的　控温误差为±０．１℃，故温度传感器Ａ。Ｂ均选用ｌ６位　高精度数字温度传感器ＡＤＴ７４１０。其在一４０～１０５　ｏＣ范　围内的温度精度为±０．５℃，温度分辨率为０．００７８　ｏＣ，　采用ＩＩＣ接口与主控进行通信，简单易用。ＡＰＤ设计　的控温误差为±０．００５　ｏＣ．而集成温度传感器的温度分　辨率普遍在０．０１　ｏＣ左右。故温度传感器Ｃ选用线性　ＮＴＣ温度传感器配合高精度模数转换器进行温度测　量。其中线性ＮＴＣ温度传感器的温度系数为　２　ｍＶ／℃，模数转化芯片选用２４模数转换器ＡＤ７７９３。　ＡＤ７７９３内置一个低噪声、带有３个差分模拟输入的　ＡＤＣ，最高２３位有效分辨率且内置高精度基准电压，　配合线性ＮＴＣ温度传感器可以实现０．０００５　ｏＣ的分　辨率。　恒温箱的温度通过半导体制冷片（ＴＥＣ）进行控　制，ＴＥＣ利用半导体材料的珀尔贴效应制成．具有体　积小、精度高、响应速度快等特点［９］．在小型温度控制　系统中具有广泛的应用。为保证恒温室的制冷效率