電冰箱檢測線溫度傳感器校驗平臺設(shè)計

彭海軍， 朱 敏， 魯照權(quán)， 鄭國俊， 余 波

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

電冰箱出廠前，需要讓其試運行幾十分鐘甚至數(shù)小時，同時檢測冷藏室、冷凍室、壓縮機進氣口、出氣口和環(huán)境溫度、壓縮機功率等參數(shù)，以判斷電冰箱是否合格［1］。一條電冰箱檢測線少則使用數(shù)百只溫度傳感器，多則使用數(shù)千只溫度傳感器。為了準確測量溫度，曾經(jīng)采用熱電阻、AD590等模擬式溫度傳感器。由于模擬式溫度傳感器均需要檢測轉(zhuǎn)換電路與AD轉(zhuǎn)換器，使得電冰箱檢測線的制造與維護成本很高。DS18B20的問世給電冰箱檢測線數(shù)千點溫度檢測提供了極其方便的途徑。DS18B20直接輸出相應(yīng)溫度的數(shù)字量，無須轉(zhuǎn)換電路與AD轉(zhuǎn)換器，使用極其方便，已被電冰箱生產(chǎn)廠家廣泛采用。

DS18B20采用“1－Wire”接口，測量溫度范圍為－55～＋125℃，最高溫度分辨率為0.062 5℃，在－10～＋85℃范圍內(nèi)，測量精度為±0.5℃。

電冰箱冷凍室的溫度會低于－20℃，壓縮機排氣口溫度可高達60℃左右，為了保證檢測線上數(shù)千只溫度傳感器測量偏差不大于±0.5℃，必須對DS18B20至少在－30～＋60℃溫度范圍內(nèi)進行校驗篩選。為此，本文設(shè)計了一個DS18B20溫度傳感器校驗平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計

溫度傳感器校驗平臺的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以P89LPC935單片機為核心，Pt100測溫電路為校驗平臺提供標準溫度值。DS18B20為待測溫度傳感器，本系統(tǒng)一次可以檢測16只。繼電器接口用來控制酒精槽制冷、制熱工作，為傳感器模擬－30～＋60℃范圍的工作溫度。顯示采用七段數(shù)碼管，顯示標準溫度、待測溫度傳感器的測量值、兩者偏差等數(shù)據(jù)。串口通信用于上位機顯示界面設(shè)計。通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)的開始、停止、模式選擇等功能。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

DS18B20是單總線、數(shù)字式溫度傳感器，它有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，它的操作協(xié)議主要包括：初始化時序、讀時序和寫時序。DS18B20測得的溫度值存儲在高速暫存RAM的前2個字節(jié)中。P89LPC935通過連續(xù)2次讀操作，可以獲得溫度值。首先讀取的是低位字節(jié)TL，接著是高位字節(jié)TH。DS18B20默認是12位溫度分辨率，前5位是符號位，用S表示。若溫度值為正，則S為0；若溫度值為負，則S為1，這時需要先對TH和TL求補。將2個字節(jié)合并，t′＝（TH＆0x07）×256＋TL，t＝0.062 5t′，t即為DS18B20測得溫度值［2］。

P89LPC935與DS18B20的接口如圖2所示。本系統(tǒng)需要一次校驗16只DS18B20，因單片機引腳有限，故采用16選1模擬電子開關(guān)CD4067進行溫度檢測通道切換。A、B、C、D為通道選擇端，INT為控制端。當(dāng)INT＝1時，關(guān)閉所有通道。

圖2 單片機與DS18B20接口電路

2 標準溫度值獲取

標準溫度值是系統(tǒng)的參考溫度，各個待校驗的DS18B20測得的溫度值都需要和標準值進行比較，以決定是否合格，因此，標準溫度值的獲取至關(guān)重要。Pt100鉑電阻具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠等特點。

在0～650℃范圍內(nèi)，有

在－200～0℃范圍內(nèi)，有

Rt＝R0［1＋At＋Bt2＋C（t－100）t3］。其中，R0＝100Ω，為t＝0℃ 時電阻值；A＝3.968 47 × 10－3；B＝－ 5.847 × 10－7；C＝－4.22×10－12。

Pt100是電阻式溫度傳感器，溫度變化引起電阻變化。將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大后，再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機換算成相應(yīng)的溫度。Pt100測溫電路采用恒流三線制接法，如圖3所示。

LM334為恒流源，外加二極管和電阻，就可以為Pt100提供恒定的電流，調(diào)節(jié)電位器R3，即可改變電流大小。當(dāng)溫度改變時，Pt100電阻改變，引起電壓變化。MC1403為基準電壓源，提供2.5V精密電壓，經(jīng)電位器分壓后送入運放作為調(diào)零信號。前端測得電壓值經(jīng)過運放OP07放大，送入A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后換算成溫度值，即可以實現(xiàn)溫度的測量［3－5］。

圖3 Pt100恒流三線制測溫原理圖

在Pt100測溫過程中，由于各種原因，測量結(jié)果和真實值之間總會存在一定的差異，即測量誤差，使得測量結(jié)果不能客觀地反映實際溫度。根據(jù)測量誤差的性質(zhì)，可以將誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。由于Pt100測得的溫度為標準溫度值，因此，必須將它的誤差減少到最小，這就需要選擇合適的誤差分析和消除方法。

為消除系統(tǒng)誤差，采用恒流三線制溫度轉(zhuǎn)換電路，在測溫前必須調(diào)整好電路的零點和增益。零點包括運放的零點和溫度的零點。調(diào)運放的零點是指將J－Pt100的1號腳與B點短接時調(diào)節(jié)運放的調(diào)零電位器R5，使運放的輸出為零；調(diào)溫度的零點是指用標準電阻箱替代Pt100，將其阻值打在100Ω上，調(diào)節(jié)R3，使A點電壓為0.3V，即恒流源為3mA，再調(diào)節(jié)R5，使B點電壓也為0.3V，此時溫度顯示值為零；再將標準電阻箱打在123.24Ω上，調(diào)節(jié)電位器R10，使C點電壓為P89LPC935內(nèi)部AD參考電壓3.3V，溫度顯示值為60 ℃［6］。

由于Pt100的電阻與溫度之間并不是完全的線性關(guān)系，本文采用線性插值算法對非線性進行補償。在－30～60℃溫度范圍內(nèi)，將Pt100的溫度與電阻之間的曲線分成3段，每段為線性關(guān)系，如（1）～（3）式所示。

當(dāng)－30℃≤t≤0℃時，

當(dāng)0℃＜t≤30℃時，

當(dāng)30℃＜t≤60℃時，

隨機誤差主要是由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的大量因素共同造成的，這些因素主要有溫度波動、噪聲干擾、電磁場微變、空氣擾動等。采用算術(shù)平均值法來消除隨機誤差［7－8］。

為消除粗大誤差，通常是采用去極值法，但是它有一個很大的缺點，就是當(dāng)測量數(shù)據(jù)中含有粗大誤差的個數(shù)多于2個時，就不再有效了?；诮y(tǒng)計理論的粗大誤差判定準則主要有3σ準則、格羅布斯準則、羅曼諾夫斯基準則和狄克松準則。本系統(tǒng)測量次數(shù)取15次，采用格羅布斯準則可以獲得較好的判定效果。先將測量數(shù)據(jù)按從小到大排序，格羅布斯臨界系數(shù)G（n，α）值為G0，分別計算出平均值、標準差σ、G1和Gn，其中

若G1≥Gn且G1≥G0，則x1含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除；若Gn≥G1且Gn≥G0，則xn含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除；若G1＜G0且Gn＜G0，則不存在粗大誤差。

圖4 應(yīng)用格羅布斯準則消除粗大誤差軟件流程

3 實驗結(jié)果

在相同條件下，Pt100測溫取15次，測量數(shù)據(jù)見表1所列。

當(dāng)利用去極值法消除粗大誤差時，在表1中，去掉9.88和12.71這2個值，再求剩下13個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值以消除隨機誤差，可得＝10.21，此值即為Pt100溫度測量結(jié)果。

當(dāng)利用格羅布斯準則消除粗大誤差時，首先可以判定表1中第6個測量值x6＝12.71含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除。對剩下的14個數(shù)據(jù)，可以判定第7個測量值x7＝12.71含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除。對剩下的13個數(shù)據(jù)，可以判定這組數(shù)據(jù)已不含粗大誤差。再用算術(shù)平均值法消除隨機誤差，即＝9.99，此值就為Pt100測量結(jié)果。

表1 Pt100溫度測量數(shù)據(jù)

在相同測量條件下，當(dāng)利用格羅布斯準則消除粗大誤差時，得到的Pt100測量結(jié)果為9.99℃，而利用去極值法時，得到的測量結(jié)果為10.21℃，此時實際溫度為10℃，由此可以得出，采用格羅布斯準則消除粗大誤差，與去極值法相比，更接近真值。

為方便使用，采用Visual C＋＋6.0設(shè)計上位機顯示界面，用來顯示標準溫度值、各個待校驗DS18B20的溫度值以及和標準溫度的差值、最終校驗結(jié)果等［10－11］。上位機顯示界面和校驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 上位機顯示界面設(shè)計

4 結(jié)束語

在－30～＋60℃溫度范圍內(nèi)，為了保證電冰箱檢測線上數(shù)千只溫度傳感器DS18B20的測量偏差均不大于±0.5℃，本文以P89LPC935為核心設(shè)計了DS18B20溫度傳感器校驗平臺，用Visual C＋＋6.0設(shè)計了上位機校驗結(jié)果顯示界面，采用Pt100熱電阻作為標準溫度傳感器；為消除系統(tǒng)誤差，設(shè)計了恒流三線制溫度轉(zhuǎn)換電路，并采用線性插值算法對非線性進行補償；采用算術(shù)平均值法消除隨機誤差；分別采用格羅布斯準則和去極值法來消除粗大誤差，通過比較可得采用格羅布斯準則消除粗大誤差，要比去極值法更接近真值。實驗結(jié)果表明該校驗平臺設(shè)計合理、判斷準確、使用方便，經(jīng)篩選后的傳感器完全符合用戶的要求。

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