多路溫度測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王彪

(南京郵電大學(xué)，江蘇南京，210003)

0 引言

信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。

溫度是工農(nóng)業(yè)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用中常見的和最基本的參數(shù)之一，而熱敏電阻則是監(jiān)控這種物理?xiàng)l件的主要手段之一。熱敏電阻測溫的靈敏度很高，但熱敏電阻存在嚴(yán)重的熱非線性，所以，在使用過程中，必須在數(shù)字或模擬范圍中線性化熱敏電阻輸出以獲得精確測量，也必須為熱敏電阻本身自熱效應(yīng)選擇合適的激勵(lì)源和補(bǔ)償器件過熱導(dǎo)致電阻變化所引起的誤差。

在本文中主要講述了，基于Atmega8 單片機(jī)和NTC熱敏電阻設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一種廉價(jià)、高精度的多路溫度測量方法，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于±0.5℃，最多可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)4路溫度進(jìn)行測量，并具有保存各路溫度測試最大值等功能。

1 NTC熱敏電阻

1.1 熱敏電阻溫度—電阻特性

NTC熱敏電阻溫度——電阻特性曲線可近似表示為：

R: 溫度T(K)時(shí)的電阻值；R0: 溫度T0(K)時(shí)的電阻值，一般常取T0為20℃[3]； B:熱敏電阻的B值。由式（1）可得：熱敏電阻溫度——電阻特性呈指數(shù)關(guān)系變化。

實(shí)際上，熱敏電阻的B值也并非一恒定值，其變化大小因材料構(gòu)成而異，最大甚至可達(dá)5K/℃。因此，在較大的溫度測量范圍內(nèi)應(yīng)用固定B值代入式（1）求解時(shí)，所得結(jié)果將與實(shí)際溫度之間存在一定誤差。在應(yīng)用過程中，B值可近似為：

其中，BT：溫度在T(K)時(shí)的B值，C、D、E為常數(shù)，另外，因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動(dòng)會(huì)引起常數(shù)E發(fā)生變化，但常數(shù)C、D 不變。因此，在探討B(tài)值的波動(dòng)量時(shí)，只需考慮常數(shù)E即可。在求取B值時(shí)，只需取溫度——電阻特性曲線上3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式（2），則可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的C、D、E值。再把式（2）代入式（1）則可精確求出各溫度點(diǎn)T所對(duì)應(yīng)的熱敏電阻阻值R。

1.2 熱敏電阻溫度——電阻特性曲線線性化

從式（1）中我們可以知道，熱敏電阻在全量程范圍內(nèi)溫度——電阻特性曲線具有很大的非線性。所以，在使用過程中，必須對(duì)熱敏電阻進(jìn)行在數(shù)字或模擬范圍內(nèi)線性化熱敏電阻輸出量以獲得精確測量，文獻(xiàn)[1-6]提出了多種熱敏電阻特性曲線進(jìn)行線性化的常用方法。在對(duì)熱敏電阻特性曲線進(jìn)行線性化的常用方法中主要有：串并聯(lián)電阻方法[5]、方波振蕩器方法[6]和Steinhart-Hart三階方程擬合方法。

串并聯(lián)電阻、方波振蕩器方法使用了模擬電路方法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱敏電阻的溫度——電阻特性曲線進(jìn)行線性化，具有設(shè)計(jì)電路簡單易行等特點(diǎn)，但一般使用在精度要求不是很高的場合。而在使用Steinhart-Hart三階方程進(jìn)行對(duì)熱敏電阻特性曲線進(jìn)行逼近時(shí)，具有計(jì)算方便、擬合誤差小等特點(diǎn)。所以，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用 Steinhart-Hart三階方程[7-8]方法對(duì)熱敏電阻溫度-電阻特性曲線進(jìn)行擬合。

NTC熱敏電阻特性曲線用Steinhart-Hart三階方程進(jìn)行擬合：

其中，T：溫度（k），R：熱敏電阻阻值（Ω），A、B、C：曲線擬合常數(shù)。

在使用Steinhart-Hart方程進(jìn)行擬合時(shí)，只要選取熱敏電阻溫度-電阻特性曲線中3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式（3），則可求解出擬合方程中參數(shù)A、B、C。當(dāng)所選數(shù)據(jù)點(diǎn)間距不超過熱敏電阻溫度范圍標(biāo)定中點(diǎn)100 ℃時(shí)，方程擬合誤差<±0.02℃。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字測溫系統(tǒng)中主要涉及到以下幾個(gè)模塊：溫度傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集器模塊、微控制器、按鍵顯示模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 硬件部分

2.1.1 測量網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

NTC熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)大，靈敏度約為金屬熱電阻的10倍，標(biāo)稱電阻值比較大（幾kΩ～幾百kΩ）等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，NTC熱敏電阻阻值測量網(wǎng)絡(luò)采用熱敏電阻與固定電阻進(jìn)行直接分壓方式實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)量程（-25℃~100℃）范圍內(nèi)，熱敏電阻的變化范圍為86.56kΩ~0.975kΩ，電阻測量跨度比較大，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，測量網(wǎng)絡(luò)采用分檔測量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱敏電阻阻值的測量，即在不同溫度段采用不同的分壓電阻。測量網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)Rt為熱敏電阻， Rx為分壓電阻。A/D采樣器直接采用Atmega8自帶的10bit ADC，同時(shí)，A/D采樣器與測量網(wǎng)絡(luò)選用同一電壓基準(zhǔn)VREF。

考慮到系統(tǒng)要求溫度測量（-25℃～100℃）范圍內(nèi)，測量精度優(yōu)于±0.5℃。在此，測量網(wǎng)絡(luò)采用分兩檔實(shí)現(xiàn)，即10k檔和4k檔。在100℃時(shí)，測量精度最?。?.1/0.3808=0.2626℃<0.5℃。具體電路如圖2所示。

圖2 熱敏電阻阻值測量原理圖

檔位控制由MOS管2N7002實(shí)現(xiàn)，其具有開關(guān)頻率高，導(dǎo)通電阻小，截止電阻大等特點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中取R10=10 kΩ,R4=R8=3.32 kΩ（分壓電阻均采用1%精度的電阻）。電路具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）當(dāng)測量溫度較低時(shí)（< 40℃）,控制端口CONTROL_2 輸出 低電平，即MOS管2N7002處于截止?fàn)顟B(tài)，分壓電阻Rx=R10=10 kΩ,即有：

（2）當(dāng)測量溫度較高時(shí)（>35℃）,控制端口CONTROL_2 輸出高電平，即MOS管2N7002處于導(dǎo)通狀態(tài)，又由于2N7002在導(dǎo)通過程中，導(dǎo)通電阻Ron<5Ω相對(duì)于R4+R8=6.64 kΩ來說可忽略,那么，分壓電阻Rx=R10||(R4+R8)≈4 kΩ，即有：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，A/D采樣器直接采用Atmega8內(nèi)部的10bit ADC，并A/D采樣器與測量網(wǎng)絡(luò)選用同一參考電壓VREF。在此，假設(shè)ADC采樣值為N，則有：

把式（6）代入式（4）或式（5）并聯(lián)立式（3）則可求出被測系統(tǒng)的溫度。

圖3 外部基準(zhǔn)電壓原理圖

2.1.2 外部參考電壓設(shè)計(jì)

SC431是一精密可調(diào)電壓基準(zhǔn)，穩(wěn)壓值可從2.5~36V連續(xù)可調(diào)，低動(dòng)態(tài)電阻典型值0.25Ω，驅(qū)動(dòng)電流1.0~100mA，全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦，電壓穩(wěn)定度優(yōu)于50ppm。穩(wěn)壓電路如圖3所示。輸出電壓VREF有：

又由溫度測量網(wǎng)絡(luò)（圖2）中可以得到，分壓電阻Rx的取值分別為10 kΩ、4 kΩ，則可保證熱敏電阻在測溫全過程中自身熱功率≤1.1 mW。又熱敏電阻測溫過程中通常是放置在流動(dòng)空氣、液體或固體中，即熱敏電阻的散熱條件比較好，則可忽略熱敏電阻熱效應(yīng)。

2.2 軟件部分

Atmega8是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集器直接選用其內(nèi)部自帶的10bit ADC,ADC參考電壓選用外部電壓基準(zhǔn)。外部中斷0接通道切換顯示功能鍵，外部中斷1接溫度最大值清除功能鍵。本設(shè)計(jì)的軟件部分由C語言編寫實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境為ICCV7 for AVR[9]。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3 測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)測溫范圍為-25℃～100℃。在對(duì)系統(tǒng)性能檢測時(shí)，使用熱電耦溫度計(jì)（±0.1℃精度）與熱敏電阻捆綁一起放入熱開水中，再使其一起放入冰箱中進(jìn)行冷卻、冰凍。這樣則可測出從-25℃～100℃間各點(diǎn)溫度值。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

經(jīng)分析，誤差來源可能有如下幾種：熱敏電阻和分壓電阻的阻值誤差；A/D采樣器的非線性誤差；Steinhart-Hart方程擬合誤差等。

從測量結(jié)果中可以看出，系統(tǒng)的測量精度還不是特別高，還可通過各種方法使系統(tǒng)性能得到改善，具體可有以下一些改進(jìn)方法：測量網(wǎng)絡(luò)采用更多的檔位、選用更高精度的A/D采樣器、選用其它測量精度更高的測量電路、選用其它性能更好的溫度傳感器。

4 總結(jié)

熱敏電阻特別適合于對(duì)限制溫度范圍的測溫應(yīng)用。對(duì)于小的溫度變化具有明顯的電阻變化，使熱敏電阻可用于高分辨率測量。把熱敏電阻與高分辨率A/D變換器結(jié)合起來可構(gòu)成高精度、高分辨率溫度測量系統(tǒng)。

以測試結(jié)果來看，本多路溫度測量儀的測量精度優(yōu)于±0.5℃。不過系統(tǒng)還可以設(shè)計(jì)得更完美些，如：提高系統(tǒng)的測量精度和擴(kuò)大系統(tǒng)測溫范圍；單片機(jī)把測量的數(shù)據(jù)傳送到PC上，然后，使用各種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等等。

[1] 趙軍，謝作品，吳珂. NTC熱敏電阻線性化新方法[J].電測與儀表，2006，43(1)：12-14.

[2] 李波，陳光華. 基于熱敏電阻的多通道高精度溫度測量系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2008(5)：87-88.

[3] 周以琳，李金亮，楊勇，郭煥然. NTC 熱敏電阻R-T特性的高精度補(bǔ)償[J]. 青島科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31(1)：80-82.

[4] 招惠玲，秦淑娟. 熱敏電阻溫度特性曲線的線性化[J].傳感器技術(shù)，2003，22 (7)：47-49.

[5] 孟凡文. NTC熱敏電阻的非線性誤差及其補(bǔ)償[J].傳感器世界，2003，9(5)：21-24.

[6] 俞阿龍，李正. 熱敏電阻溫度傳感器的一種線性化設(shè)計(jì)[J]. 電氣自動(dòng)化，2003，25(2)：58-59.

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Steinhart-Hart_equation

[8] Analog Devices公司. 熱敏電阻結(jié)合高分辨∑△A/D變換器測量溫度[J]. 電子產(chǎn)品世界,2006(08).

[9] 沈文，Eagle Lee，詹衛(wèi)前. AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.