NTC溫度轉(zhuǎn)換的無(wú)損壓縮解壓縮算法

盧玉波，石鑫

（海信集團(tuán)有限公司，青島266071）

引 言

現(xiàn)代家電（如冰箱、空調(diào)等），功能越來(lái)越多，技術(shù)含量越來(lái)越高，這些家電大多使用單片機(jī)進(jìn)行控制。近幾年來(lái)單片機(jī)得到了飛速的發(fā)展，從8位機(jī)發(fā)展到目前的32位機(jī)，存儲(chǔ)器從OTP發(fā)展到現(xiàn)在的FLASH，內(nèi)部資源也越來(lái)越豐富。但是家電產(chǎn)品追求利潤(rùn)，單片機(jī)在選型時(shí)，往往選擇能滿足要求的最低配置，在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，常常會(huì)遇到內(nèi)部FLASH空間不夠的問(wèn)題。為此，本文針對(duì)家電產(chǎn)品常用的溫度測(cè)量，提出了一種查表數(shù)據(jù)壓縮算法，有效降低了FLASH空間占用。

1 NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻選型

1.1 NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

NTC（Negative Temperature Coefficient，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料[1]。NTC當(dāng)作溫度傳感器，在家電、汽車電子、醫(yī)療儀器、手機(jī)電池及充電電器等方面應(yīng)用廣泛。在比較高檔的冰箱上，會(huì)用到6～10只NTC，各NTC的溫度轉(zhuǎn)換是程序設(shè)計(jì)的重要部分。

1.2 NTC電阻值和溫度變化的關(guān)系

在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，NTC電阻值和溫度變換是成非線性關(guān)系的[2]。二者關(guān)系如下所示：

RT＝RN×exp[B（1/T-1/TN）] （1）

其中，RT是在溫度為T時(shí)的NTC熱敏電阻值，RN是額定溫度為TN時(shí)的NTC熱敏電阻值，T為所測(cè)溫度。因?yàn)椴牧铣?shù)B本身也是溫度T的函數(shù)，所以式（1）是經(jīng)驗(yàn)公式，只有在額定溫度TN或額定電阻阻值RN的有效范圍內(nèi)才具有一定的精度，在全部范圍內(nèi)偏差可能超過(guò)10%。

1.3 NTC參數(shù)選擇

在設(shè)計(jì)冰箱時(shí)，會(huì)根據(jù)具體的應(yīng)用部位選擇不同參數(shù)的NTC，并按照冰箱間室的不同特征溫度選擇NTC的額定溫度。如冷藏室溫度為1～8℃，特征溫度為5℃，測(cè)量冷藏室溫度的NTC選擇R（5℃）＝5K06，B（5/25℃）＝3 839K；冷凍室的溫度為-15～-25℃，特征溫度為-18℃，測(cè)量冷凍室溫度的NTC選擇R（-18℃）＝16K9，B（-18/25℃）＝3 771 K；測(cè)量環(huán)境溫度的 NTC選擇R（25℃）＝5K0，B（5/25℃）＝3 839K。

2 溫度測(cè)量方法

2.1 單片機(jī)測(cè)量溫度電路

以冷凍室溫度測(cè)量電路為例，如圖1所示，分壓電阻R1＝10 kΩ，若ADC轉(zhuǎn)換精度為8位，則NTC所測(cè)溫度經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的值為255×RT/（RT＋10）。圖2給出了1.3節(jié)中3種參數(shù)的NTC的溫度-電阻值-A/D值的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖1 冷凍室溫度測(cè)量電路

圖2 RT表及對(duì)應(yīng)的A/D值

2.2 查表算法

在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)性能和公式的偏差決定了不可能由式（1）直接推算出所測(cè)溫度，簡(jiǎn)便可行的辦法是查表。以冷凍室溫度傳感器為例，溫度測(cè)量范圍為-40～40℃，共81個(gè)溫度值，對(duì)應(yīng)的A/D值為220～25，共196個(gè)。

每個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)1～4個(gè)A/D值，每個(gè)A/D值對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度值。為了處理簡(jiǎn)便，將溫度范圍調(diào)整為0～80℃，可得到以下數(shù)組temp＿f1：

由此可得到NTC所測(cè)溫度：

其中AD值是A/D轉(zhuǎn)換后的值。

這是最普通直接的算法，但在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，存在表格數(shù)據(jù)所占空間太大的問(wèn)題。在冰箱中，有多種參數(shù)的NTC，表格數(shù)據(jù)所占空間在0.5 KB以上，對(duì)單片機(jī)的選型和成本影響很大。必須采用某種形式的壓縮算法，并且是無(wú)損的壓縮方式，這在單片機(jī)內(nèi)存空間緊張時(shí)非常有用。

2.3 無(wú)損壓縮查表算法

鑒于查表法產(chǎn)生的表格數(shù)據(jù)占據(jù)存儲(chǔ)空間量大的問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)用的無(wú)損壓縮查表算法。用1個(gè)字節(jié)表示2個(gè)溫度值，如：-40℃，對(duì)應(yīng)的A/D值有2個(gè)，-39℃，對(duì)應(yīng)的A/D值有2個(gè)，可以用十六進(jìn)制數(shù)據(jù)0x22表示-40℃和-39℃對(duì)應(yīng)的A/D值。得到數(shù)組temp＿f2，數(shù)組temp＿f2比數(shù)組temp＿f1所占空間減少了79%，但包含的信息是相同的。

當(dāng)然，還可以進(jìn)一步壓縮，從圖2中可以看出，每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的A/D值不超過(guò)4個(gè)，因此可以用1個(gè)字節(jié)的2位表示1個(gè)溫度值，那么1個(gè)字節(jié)就表示4個(gè)溫度值。以上數(shù)組可壓縮成21個(gè)字節(jié)，節(jié)省空間89.2%，這種壓縮方法在解壓縮時(shí)，耗費(fèi)的程序空間要大一些。圖3為將數(shù)組temp＿f2壓縮/解壓縮的流程圖。

圖3 數(shù)組temp＿f2壓縮/解壓縮的流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于一款ROM為4 KB的單片機(jī)而言，使用本文提出的無(wú)損壓縮算法所占的內(nèi)存空間為0.08 KB，未使用壓縮算法處理的表格數(shù)據(jù)占內(nèi)存空間為0.53 KB。選擇樣本為500臺(tái)的家用電冰箱做測(cè)試，發(fā)現(xiàn)程序跑飛的概率二者分別為0%和0.2%，驗(yàn)證了本算法的可行性。

結(jié) 語(yǔ)

本文給出的壓縮算法，可有效地降低溫度轉(zhuǎn)換部分程序占用量，在家電產(chǎn)品巨大的成本壓力下，讓單片機(jī)有限的FLASH存儲(chǔ)空間容納更多的功能。

[1]王恩信，荊玉蘭，王鵬程，等.NTC熱敏電阻器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電子元件與材料，1997（4）.

[2]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（5）.