多傳感器高準確度便攜式溫度測量儀

梁嘉琪，董浩斌，葛　健

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

多傳感器高準確度便攜式溫度測量儀

梁嘉琪，董浩斌，葛健

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

為適應(yīng)不同環(huán)境下不同測溫范圍不同測溫準確度的要求，實現(xiàn)高準確度溫度測量，設(shè)計一種基于多傳感器的自動識別測溫儀。系統(tǒng)以低功耗處理器MSP430為核心，采用PT1000、DS18B20、Tsic506溫度傳感器，完成3種傳感器的高準確度高分辨率測溫與自動識別，并在LCD屏顯示當(dāng)前傳感器的溫度值。采用四線制PT1000測量方法減少引線誤差，采用中值平均濾波減少隨機誤差和查表法降低非線性誤差，實現(xiàn)PT1000的高準確度溫度測量。設(shè)計高效率低功耗的電源模塊，為各模塊工作提供可靠的電源，可在2節(jié)5號電池下持續(xù)工作100h。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量范圍為-100～500℃，PT1000可以完成整個溫度的測量，在-100～100℃測量準確度為0.1℃，準確度高，適用范圍廣。DS18B20可以完成-55～125℃溫度的測量，準確度為0.5℃，價格低廉。Tsic506可以完成-50～150℃的溫度測量，準確度為0.1℃，準確度高，速度快。用戶可以根據(jù)不同的需要選擇不同的傳感器，完成溫度的高準確度測量。

PT1000；DS18B20；Tsic506；查表法；自動識別；低功耗

0　引　言

溫度測量是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代科學(xué)研究及高新技術(shù)開發(fā)過程中重要的測量項目［1］。在地溫測量領(lǐng)域，需要對地表及以下不同深度土壤溫度進行測量，在不同的環(huán)境和需求下，對測溫儀的測量范圍和準確度要求不同［2-3］。在儀器領(lǐng)域，如高準確度磁阻磁力儀和磁通門磁力儀，在大溫度范圍的環(huán)境下，探頭線圈材料的物理特性會發(fā)生較大變化［4-5］，溫度系數(shù)測量直接決定磁場測量準確度。如光泵磁力儀和原子磁力儀，為了能夠在吸收室形成光泵效應(yīng)，需要使吸收室的原子為蒸汽狀態(tài)，溫度測量與控制不準確就會發(fā)生共振偏移［6］。目前用于溫度測量的傳感器有PT1000和DS18B20；DS18B20測量準確度比較低、速度慢［7］，但其價格便宜、功耗低，得到了廣泛應(yīng)用。針對不同的應(yīng)用環(huán)境，需要選擇專門的測溫儀器。為適應(yīng)不同環(huán)境下的測溫要求，實現(xiàn)高準確度的溫度測量，設(shè)計了基于多傳感器的溫度測量儀。

1　傳感器

在溫度測量中，由于不同的應(yīng)用環(huán)境和不同的準確度要求，在測量范圍廣、準確度要求較高、速度要求不高的環(huán)境下，選用鉑電阻傳感器。鉑電阻物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。按國際溫標（IPTs-68）規(guī)定，在-259.34～630.74℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。在準確度要求較低的測量領(lǐng)域，選用DS18B20，其功耗低、價格低廉、接口簡單，符合低溫的測量范圍。在準確度要求較高、速度也要求比較高的環(huán)境下，選用德國ZMD公司生產(chǎn)的Tsic506，其準確度高、速度快、分辨率高、功耗低、接口簡單，可以完成-50～150℃的溫度測量。綜合考慮，選擇了PT1000、DS18B20、Tsic506傳感器。

1.1PT1000鉑電阻溫度傳感器

熱電阻是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化制成的傳感器，該傳感器值與溫度近似溫度系數(shù)為0.00375℃。在-30～350℃時，PT1000的電阻值與溫度近似成線性關(guān)系。其阻值與溫度的關(guān)系式為

在-200～0℃之間：

在0～850℃之間：

R0為0℃時鉑熱電阻的阻值，其中：

其A級準確度在0℃時電阻的允許誤差［7］可達到±0.06%/Ω，允許誤差為0.15+0.005|t|。

系統(tǒng)設(shè)計的PT1000為四線制測溫，來消除引線誤差。其測溫范圍為-100～250℃，為了節(jié)省成本，并考慮到穩(wěn)壓源LTC6655的輸出電流，如圖1所示，設(shè)計了由精密電阻R8=10kΩ，R9=10kΩ，R10=0.25kΩ與鉑電阻構(gòu)成電橋電路，可以計算：

可以計算出V+IN=60.9756mV，則：

圖1　PT1000電橋測量電路

1.2DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器4部分組成，其溫度傳感器是由低溫系數(shù)晶振和高溫系數(shù)晶振組成。DS18B20數(shù)字溫度計提供9～12位（二進制）溫度讀數(shù)，溫度信息經(jīng)過單線接口傳輸?shù)絾纹瑱C。溫度敏感器件 DSl8B20的測量范圍從-55～125℃，可在1s（典型值）內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。系統(tǒng)設(shè)置分辨率0.625℃位，準確度0.5℃。

1.3Tsic506數(shù)字溫度傳感器

Tsic是IST公司的傳感器IC產(chǎn)品，其內(nèi)部由與絕對溫度成比例（PTAT）的高準確度參考源、集成低功耗、精密ADC和片上DSP核組成，具有電可擦除存儲器來準確地校正輸出溫度信號。Tsic506是一款高分辨率、高準確度、低功耗、快速響應(yīng)的溫度傳感器集成電路［8］。工作電壓為3.0～5.5 V，測溫范圍為-50～150℃，準確度為0.1℃，具有較高的性價比，具備長期穩(wěn)定性。采用單總線輸出方式，接口簡單。信號輸出速率可以達到每0.1s輸出一次，工作電流非常低，信號線最大電流只有45μA，非常適用于移動和低功耗設(shè)備［8］。

2　系統(tǒng)設(shè)計

為了適應(yīng)不同環(huán)境下的測溫需求，實現(xiàn)不同傳感器高準確度便攜式溫度測量，儀器為電池供電，所以對處理器和顯示的低功耗有很大的要求。系統(tǒng)選用16位超低功耗的混合信號處理器MSP430和Nokia5110顯示屏。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示，PT1000模擬溫度傳感器對環(huán)境溫度進行采集，通過信號調(diào)理電路，然后把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)ADC傳給單片機，單片機接收數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理后，在液晶屏上顯示測量的溫度值。DS18B20與Tsic506輸出信號均為數(shù)字信號，可直接經(jīng)過單片機處理后在液晶上顯示溫度值。當(dāng)傳感器連接系統(tǒng)，系統(tǒng)將識別出來的傳感器類型和測得的當(dāng)前溫度值在Nokia5110上顯示。

圖2　測溫儀的總體設(shè)計

2.1低功耗電源模塊

為了方便用戶測量，系統(tǒng)采用兩節(jié)干電池供電，由于電壓只有3V，液晶不能工作，且隨著電壓下降，數(shù)字傳感器及PT1000的測溫準確度會降低，這樣就不能完全把電池的能量轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)系統(tǒng)長時間工作和高準確度的測量要求，用升壓完成電源供電方案。系統(tǒng)選擇2節(jié)5號電池供電，PT1000的工作額定電流為2 mA；DS18B20工作電壓為3～5.5V，溫度轉(zhuǎn)換時工作電流為1 mA；Tsic506的工作電壓為3～5.5V，其工作電流非常低，3.3V工作時典型工作電流為30μA。經(jīng)測試，系統(tǒng)不能工作時，單節(jié)電池的電壓為0.8V。如圖3所示，利用低功耗高轉(zhuǎn)換效率的DC-DC升壓到5 V，對液晶屏Nokia5110供電；利用低功耗LDO穩(wěn)壓到3.3V，實現(xiàn)對單片機，傳感器供電；并利用低功耗基準源LTC665把3.3V穩(wěn)壓至2.5V，為電橋和模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2411提供基準源。系統(tǒng)設(shè)計的高效率低功耗的電源模塊，為各模塊工作提供了可靠的電源，可在2節(jié)5號電池下持續(xù)工作100h。

圖3　電源模塊

DC-DC電源處理芯片的選擇，考慮的重點是效率高、功耗低、體積小。經(jīng)過多方面的對比，選用凌力爾特公司的DC-DC升壓芯片LCT3499，這是一款高效率升壓轉(zhuǎn)換器，效率可達94%。

升壓電路如圖4所示，L1為連接2腳與3腳之間的電感，與輸出電流能力有關(guān)，C2為輸入濾波電容。7腳FB為反饋回路，用來調(diào)整輸出電壓。R2、R3、R4構(gòu)成了反饋調(diào)節(jié)，輸出電壓為

5腳SS為Soft-Start，連接電容器C7到該端與地控制啟動時電流的涌入。

圖4　DC-DC升壓電路

開關(guān)電源由于開關(guān)噪聲，會產(chǎn)生很大的紋波，所以在輸出如何減少電壓波動很重要。本電路首先采取了鉭電容C4和瓷片電容C6并聯(lián)進行濾波，L2與C5構(gòu)成一級LC濾波，濾除信號中的高頻信號，使電源紋波降到最小。通過測試，該開關(guān)電源輸出電壓為4.97V，紋波電壓峰峰值為5.6mV，準確度為0.12%。

3.3V電壓源產(chǎn)生電路選用凌力爾特公司的低功耗LDO穩(wěn)壓芯片LT1521的固定電壓輸出3.3V。其輸入輸出壓差為0.5 V，輸出電流為300 mA，靜態(tài)電流為12μA。通過測試，開關(guān)電源輸出的5V電壓經(jīng)過LDO線性穩(wěn)壓器后的輸出電壓為3.3V，紋波峰峰值電壓為2.56mV，準確度為0.07%。

電橋供電以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準源供電電路選用凌力爾特公司的精密低功耗基準源LTC6655。其噪聲非常低，在0.1～10Hz下，噪聲為0.25×10-6。

2.2PT1000傳感器溫度采集

MSP430單片機供電為1.8～3.6V，是低功耗處理器，其時鐘系統(tǒng)中共有1種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0～LPM4）。在實時時鐘模式下，可達2.5μA，在RAM保持模式下，最低可達0.1μA，特別適用于利用電池供電的場合［9］。本系統(tǒng)使用MSP430F169實現(xiàn)溫度信號的采集、處理、顯示、傳輸?shù)热蝿?wù)。

PT1000輸出信號為模擬信號，其測溫準確度是0.1℃，由PT1000分度表可得，當(dāng)溫度變化0.1℃時，其阻值變化0.391Ω，可以計算出其電壓的改變值為0.0808mV。為了避免使用放大器帶來誤差，所以ADC量化絕對誤差遠遠小于0.1℃變化電壓值，此時選用凌力爾特的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2411。直流輸入共模抑制比最小為110dB。基準電壓為2.5V，量化絕對誤差為0.000149mV，滿足準確度要求。

LTC2411的數(shù)據(jù)傳輸方式為SPI模式，在SCK的下降沿讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)第28位到第5位有效，高位先移出。讀取的電壓模擬值為

式中：VPT1000——ADC采集到的數(shù)字值；

VADC——電橋電壓模擬值。

2.3軟件設(shè)計

系統(tǒng)自動識別3種傳感器，并顯示當(dāng)前溫度。軟件流程如圖5所示。開機后，系統(tǒng)初始化，進入開機頁面顯示，并打開I/O中斷，檢測自動識別鍵是否按下；如果按下，就會進入中斷服務(wù)子程序，初始化3種傳感器，檢測傳感器輸入狀態(tài)。當(dāng)傳感器插入后，其相應(yīng)的信號腳就會有信號輸入，識別傳感器后，關(guān)閉識別中斷，計算該種傳感器的溫度值，并進行數(shù)據(jù)處理，顯示在液晶屏。

圖5　軟件流程圖

PT1000溫度采集時會有非線性誤差和隨機誤差，系統(tǒng)軟件設(shè)計部分利用中值平均值濾波減少隨機誤差和查表法［10］校正PT1000的非線性誤差。本系統(tǒng)利用中值平均值濾波取得了良好的效果，使信號在測量的范圍內(nèi)更加穩(wěn)定。查表法是計算出與電阻值相對應(yīng)的溫度值，如果以0.1℃為單位，就能夠得出一張鉑電阻的0.1℃分度表，為了計算某一特定的溫度值，需要運用二分法首先確認最接近的兩個電阻值，然后用插值法確定測量溫度值，也就是在0.1℃內(nèi)對PT1000進行線性化。在計算結(jié)束后，返回溫度值，該值也被擴大為整數(shù)；放大倍數(shù)的大小與準確度有關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到已初始化DS18B20時，發(fā)送功能ROM指令，指令發(fā)送成功后，發(fā)送存儲器操作命令，根據(jù)命令按照相應(yīng)的時序進行溫度轉(zhuǎn)換，讀取溫度值等。DS18B20是1-wire總線協(xié)議方式，即單總線雙向傳輸，有嚴格的時序要求，可以根據(jù)其相應(yīng)的初始化時序，讀寫時序，實現(xiàn)DS18B20的測溫。

當(dāng)檢測到已初始化Tsic506時，接收信號腳2腳輸出的數(shù)字值，并計算當(dāng)前溫度值。Tsic506工作時序為ZACwire通信協(xié)議，位編碼類似于時鐘信號嵌入數(shù)據(jù)信號中的曼徹斯特編碼（信號的下降沿以固定周期產(chǎn)生）。Tsic506發(fā)送長度為1字節(jié)的數(shù)據(jù)包。這些包由1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個奇偶校驗位組成。來自Tsic506的完整溫度數(shù)據(jù)包由2個包組成；第1個包包含低8位的溫度信息，第2個包包含高3位的溫度信息。

來自于Tsic506的ZACwire完整數(shù)據(jù)包如圖6所示，在第1個傳輸包的末端和第2個傳輸包的開始之間有一個寬度為1/2信號位寬的高信號，即停止位［11］。

圖6　Tsic506的ZACwire完整數(shù)據(jù)包

Tsic506操作非常簡單，當(dāng)單片機拉高電源引腳時，開啟Tsic506，單片機就可以通過數(shù)字信號腳依次讀出溫度的值，計算公式為

根據(jù)式（6）就可以計算出當(dāng)前的溫度值。當(dāng)單片機拉低電源引腳時，關(guān)閉Tsic506。

3　系統(tǒng)測試

3.1系統(tǒng)準確度測試

PT1000鉑電阻測溫結(jié)果與理論值對比如表1所示，其阻值為萬用表所測，可以看出，測溫儀所測溫度與實際溫度誤差＜0.1℃，可應(yīng)用于測量范圍廣、準確度要求較高、速度要求不高的環(huán)境下。

表1　PT1000測量值與標準值對比

DS18B20和Tsic506準確度測試結(jié)果與PT1000測溫結(jié)果對比如表2所示，以PT1000為測量標準，可以看出，DS18B20測溫儀所測溫度與實際溫度誤差＜0.5℃，可應(yīng)用于準確度要求較低的測量領(lǐng)域。Tsic506所測溫度與實際溫度誤差＜0.1℃，可應(yīng)用于準確度要求較高、速度也要求比較高的環(huán)境下。

表2　DS18b20 Tsic506測量值與PT1000測量值對比

3.2系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

儀器在測量中的穩(wěn)定性非常重要，溫度穩(wěn)定性在數(shù)值上表示為：在測試時間內(nèi)，溫度波動達到的最高溫度值和最低溫度值的一半溫度［12］。溫度是一個緩變的物理量，在一定時間內(nèi)可以看做是一個相對恒溫的環(huán)境。

如圖7所示，縱坐標為當(dāng)前實測溫度與平均值的差值。在40s內(nèi)，PT1000測量溫度波動的最高值與最低值為0.16℃，其穩(wěn)定度為0.08℃。DS18B20測量溫度波動的最高值與最低值為0.24℃，其穩(wěn)定度為0.12℃。Tsic506測量溫度的波動的最高值與最低值為0.17℃，其穩(wěn)定度為0.085℃。經(jīng)過測試，儀器所有傳感器穩(wěn)定度小于準確度，穩(wěn)定性可靠。

圖7　傳感器穩(wěn)定性測試

4　結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于PT1000、DS18B20、Tsic506多種溫度傳感器，以MSP430F169為核心，2節(jié)5號電池（可兼容充電電池與普通電池）供電的低功耗的便攜式測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了3種不同測溫傳感器的互補，在不同的測量環(huán)境和要求下，用戶只需要更換傳感器就可以完成溫度的高準確度測量。系統(tǒng)提供了可靠的低功耗供電方案，可為便攜式儀器做參考，可應(yīng)用于氣象監(jiān)測、井下（淺）地溫、地?zé)峥辈煲约皟x器溫度系數(shù)標定等領(lǐng)域。

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（編輯：劉楊）

High-precision portable temperature measurement system based on three kinds of sensors

LIANG Jiaqi，DONG Haobin，GE Jian
（School of Automation，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

In order to adapt to the temperature measurement requirements of different surface depths in different environments and achieve high-precision temperature measurement，an automatic recognition thermo detector on the base of multi-sensor has been designed.In the investigation，basingonthelowpowerCPUMSP430，threetemperaturesensors——PT1000，DS18B20，Tsic506，was used to achieve the requirements of high-precision temperature measurement and automatic recognition.The active sensor and temperature value can be displayed in LCD screen. To realize the high accuracy measurement of PT1000，PT1000 four-wire measurement method，median-value filter method and look-up table method was used to reduce the lead error，random error and nonlinearity error，respectively.While a high efficiency and low power consumption module was designed to provide a reliable power supply for each module，which can support the system to work for 100 hours continuously with two AA batteries.The results show that the system can measure the temperature from-100℃ to 500℃.The PT1000 can achieve the measurement of the whole temperature range and the accuracy can reach 0.1℃，when the temperature changing from-100℃ to 100℃ with high precision，wide application scope.DS18B20 and Tsic506 can successfully measure the temperature of-55℃ to 125℃ with a 0.5℃ precision and-50℃ to 150℃with a 0.1℃precision，respectively.The user can implement measurement ofhigh precision temperature according to different needs by choosing different sensors.

PT1000；DS18B20；Tsic506；look-up table method；automatic identification；low-power

A

1674-5124（2016）05-0070-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.015

2015-11-01；

2015-12-29

國家自然科學(xué)基金（41474158）國防預(yù)研項目（404070201）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（CUG110822）

梁嘉琪（1992-），女，碩士研究生，專業(yè)方向為微弱信號檢測及地球物理儀器。