高精度溫度晶片Si7051在熱電偶補償中的應用

2021-01-08 電子產品世界

　　王昌世（南昌溫度測控實驗室，南昌 330002）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201912/408683.htm

　　摘 要：熱電偶(TC)測溫是溫控儀必備的功能。TC測溫需進行冷端溫度補償，補償的精度決定著TC的測溫精度。本文要介紹的就是用Si7051所測量的TC冷端溫度，來對TC進行溫度補償，使TC的測溫精度能達到或接近0.1度℃。重點是講述用STM32F103CBT6單片機從I 2 C總線讀取Si7051晶片中的溫度編碼值，即編程。涉及TC補償原理、Si7051與STM32單片機的I 2 C接口電路與和程序流程。

　　關鍵詞：高精度熱電偶補償；Si7051；STM32F103；I 2 C總線；程序流程

　　Si7051是一款較新的、性價比較高的器件，雖批量價僅為10 元/片,可經試用，其對TC補償的作用卻很大，很有效。但目前，在國內未見相關應用介紹（經網上檢索）。想必，此文的創新應用，會助力國內TC測溫技術的進步。

　　1 補償原理

　　把TC的兩端分為冷端（接入線路的那一端）和熱端（測溫對象所在端）。令TC冷端溫度為 Ct ，TC的輸出溫為 Tt ，則TC的熱端溫度（即測量溫度）Mt Ct Tt = + 。補償的關鍵在於冷端和Si7051感溫儘可能做到同溫。假如不完全相同，則應注意這個溫差校正。

　　此前，我們用LM75A溫度晶片測量 Ct 。但由於它的精度較低（在-20 ℃～+100 ℃全量程範圍，最大誤差達2 ℃，解析度為0.5 ℃（即，其小數位只能是0或0.5）），使得Mt值不僅包含同樣的誤差，而且時常有0.5℃的跳變。這使得溫控儀達到0.1℃的控溫精度變得不可能。

　　2 Si7051介紹 [2]

　　此晶片由美國Silicon Labs(即芯科科技)公司生產，已先後發布8個版本，最新的1.15版，在2018-09發布。

　　2.1 主要性能特徵

　　1）高精度。測溫精度分3段：

　　±0.1 ℃: +35.8 ℃～41 ℃（人體溫度範圍）；

　　±0.13 ℃: 20.0 ℃～70.0 ℃（準環境溫度範圍）；

　　±0.25 ℃: –40 ℃～+125 ℃（全量程）。

　　第2段是溫控儀（TC冷端）所在環境最常見的溫度範圍。

　　2）體積小，引腳少；

　　3 mm × 3 mm × 0.8 mm，DFN(Dual flat No-lead，即雙平面，無引線)封裝。6個引腳，見圖1。它的小的體積使其在用做溫度補償用時，易於在電路板（即PCB）上和TC的冷端一起放置；而在做人體（或其他對象）溫度計時，整體的體積可以很小。

　　3）接口電路的外圍元件少，接口簡單；

　　僅有1個去偶電容和2個上拉電阻。雖有6個引腳，但對外連線只有4根。DNC引腳可懸空或連到VDD腳。見電路圖2。

　　4）背面有感溫金屬平面；

　　大小為1.5 mm × 2.4 mm，見圖3。這個面能使它很好地感受TC冷端的溫度，達到與之同溫的目的。

　　3 電路設計

　　單片機選用STM32F103CBT6，它自帶有I 2 C總線，這使得相關接口（包括編程）相對簡單。見圖2。原理圖雖不複雜，但作為TC 補償元件，要做到它和TC冷端準確同溫,卻並非易事,我們也是經過多次改進,才達到的。具體做法是：①單獨做一塊小的PCB板（雙面，11 mmx7 mm，見圖3），通過插針與主板相連。在小板上，Si7051背面的感溫面下要開孔, 使感溫面能和冷端相對、相通。孔的大小稍小於感溫面。注意看圖3。②此小板和和TC冷端並立在一起放置，並且要遠離板上的其他熱，見圖4。圖中，3線（棕、紅和黑3色）插頭是TC的冷端線，左邊立著的就是Si7051小板。③小板和TC冷端附近約30 mmx7 mm的PCB板區域內不敷銅，以免多傳熱。

　　4 編程

　　編程本文的要點。

　　4.1 理解圖4的時序

　　文獻[2]給出了讀取Si7051晶片的溫度編碼的I²C時序圖（經英譯中）。此時序圖從左到右，分成了19個段（數字所示）。

　　此圖所涉及的相關技術術語參見文獻[3-7]。幾點說明如下：

　　1）圖中的「主」是指主設備；從是指從設備（下同）。

　　2）第2段是「從地址」，指的是Si7051的從地址0x40；

　　3）第3段是「主將要寫操作」，指的是，在I²C總線上，出現Si7051的從地址0x40後，主設備是要發送一個字節數據（第5段的0xf3）。注意這一段是一個位（bit）段且為0值，它附在第2段的0x40後面（100000B+0B= 10000000B）形成最終的0x80寫地址字節（與0x81的讀地址（如，第8、9段組合）對應。這一點很重要，編程時不要誤寫為0x40。

　　4）第9段是「主將要讀操作」，指的是.在I²C 總線上，出現Si7051的從地址0x40後，主設備是要從設備裡讀取數據。這也是一個位段，但值為1，它附在第8段的0x40後面（100 0000B+1B=10000001B）形成最終的0x81讀地址字節。

　　5）第10段是「非應答（即NACK）」。對Si7051來說，這是一個特殊的位信號，它會一直持續高電平，直到片內的A/D轉換結束。從這個信號發出算起，Si7051開始一次測溫的A/D轉換過程，具體轉換時間見參考文獻[2]的第4頁的表2。 本程序用12ms延時來處理。程序在12毫秒後,繼續到第11段。

　　6）完成這個時序的全部操作後，得到的緊緊是2個字節（14位，最低2位不用）編碼，而不是溫度的實數值。實數溫度（℃）= （175.72×溫度編碼 / 66636）-46.84（式1） [2] 。

　　4.2 流程圖

　　用IAR7.2.05工具及ST（即意法半導體）公司在2011年發布的3.5.0的庫函數（一直未變）。該庫函數包含了32個I²C相關函數和諸多變量定義，可選擇使用，本程序用了其中的10個函數。

　　圖6是依據圖5的時序來編制的。有3點須說明：*相關函數註解詳見3.2.1。**限於篇幅，只用了一個菱形判斷圖作為示例，其他判斷處未用，但包含的流程相同,即如果不成功,則反覆調用判斷函數,直到成功。***延時程序一般是自編的，不調庫函數,以便準確控制延時時間。

　　4.2.1 圖6相關庫函數說明

　　這裡的序號即是圖6中的中函數編號一致。

　　1） void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef*I2Cx, FunctionalState NewState)；

　　2)ErrorStatus I2C_CheckEvent(I2C_TypeDef*I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)；

　　3）void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef*I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction)；

　　4）void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx,uint8_t Data)；

　　5）uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef*I2Cx)；

　　6）void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx,FunctionalState NewState)；

　　7）void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef*I2Cx, FunctionalState NewState)；

　　8）I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef*I2C_InitStruct);

　　9 ） I 2 C _ C m d ( I 2 C _ T y p e D e f * I 2 C x ,FunctionalState NewState);

　　10）void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);

　　另外，圖中的函數I2C_Configuration()通常是根據需要自編的，不是庫函數。

　　(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；

　　(2) 子程序 讀Si7051溫度編碼並計算攝氏溫度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

   

　　5 結論

　　Si7051裝在線路板上，精度高、運行穩。下面是一組實測數據（表3）：

　　測試條件說明：①地點：辦公室，對環境溫度測試；②工具：實驗室開發的SCTC溫控儀；RKC CH402圖6. 讀Si7051溫度編碼的程序流程圖(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；(2) 子程序 讀Si7051溫度編碼並計算攝氏溫度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　日本產溫控儀，其上無小數顯示（對熱電偶）。測試分析：儀器每秒對Si7051和熱電偶同步採樣一次，數據記錄間隔是2 min。在18 min內，Si7051測溫僅變化31.53-31.47=0.06(℃)，多數時間，只在小數點後第2位上有變。表明其精準、穩定。SCTC測溫也僅變化30.53-30.20=0.33(℃)。這裡，Si7051的測量的溫度要高於SCTC儀及RKC儀的測量溫度是因為PCB板上的氣溫要高於一般環境溫度。

　　以後還將一如既往地關注、實施溫度測控領域的新元件的應用，並把相關的研發成果及時在專業刊物上發表，為我國自動化儀表的發展出一分力。

　　參考文獻

　　[1] Measuring Temperature Accurately with Semicondutor [EB/OL], Silicon Laboratories, [2019-06-2].https://www.silabs.com/documents/public/white-papers/ measuring-temperature-accurately-with-semiconductor-sensors.pdf.

　　[2]Si7050-1-3-4-5-A20-1398033D[EB/OL],2018-09,Revision1.15,Silicon Laboratories,pp:1-27 (2018-09)[2019-05-27]：1-27.https://www.silabs.com/documents/public/data-sheets/Si7050-1-3-4-5-A20.pdf

　　[3]AN607:Si70XX HUMIDITY AND TEMPERATURE SENSORDESIGNER』S GUIDE [EB/OL], Revision 2.0 ，SiliconLaboratories， P6, (2016-07)[2019-06-02].https://ww.silabs.com/documents/public/application-notes/AN607.pdf.

　　[4]AN1026: Si70xx Temperature Sensor Designer’s Guide[EB/OL], Rev. 0.1, Silicon Laboratories,[2019-06-03]. https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN1026-Si70xx-Temp-Sensor-Designers-Guide.pdf.

　　[5] I²C[EB/OL], Wikipedia ,Retrieved, 2019-6-3.https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C.

　　[6]UM10204-I2C-bus specification and user manual[EB/OL].Rev.6，NXP，(2014-04-04)[2019-06-06].https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf.

　　[7]VALDEZ J,BECKER J. Slva704-ApplicationReport-Understanding the I2C Bus [EB/OL]. TexasInstrumentsIncorporated, PP.5-8,(2015-06)[2019-06-06].http://www.ti.com/lit/an/slva704/slva704.pdf.

　　[8]I2C_bus_specifications_V2_0[EB/OL],V2.0,2016:p.6.https://espace.cern.ch/CMS-MPA/SitePages/Documents.aspx.

　　[9]MARK W Si7051 Temp Sensor[EB/OL].(2017-01-10)[2019-06-12].https://www.matrixtsl.com/mmforums/viewtopic.

　　php?t=19613.

　　[10]STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0[CP/OL],V3.5.0,STMicroelectronics,(2011)[2019-06-01].https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcu-mpu-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-libraries/stsw-stm32054.html

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第01期第69頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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