王彪

(南京郵電大學，江蘇南京，210003)

0 引言

信息處理技術(shù)取得的進展以及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，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)和消費類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)應用中常見的和最基本的參數(shù)之一，而熱敏電阻則是監(jiān)控這種物理條件的主要手段之一。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選擇合適的激勵源和補償器件過熱導致電阻變化所引起的誤差。

在本文中主要講述了，基于Atmega8 單片機和NTC熱敏電阻設計實現(xiàn)的一種廉價、高精度的多路溫度測量方法，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于±0.5℃，最多可實現(xiàn)同時對4路溫度進行測量，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)時的電阻值；R0: 溫度T0(K)時的電阻值，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5K/℃。因此，在較大的溫度測量范圍內(nèi)應用固定B值代入式（1）求解時，所得結(jié)果將與實際溫度之間存在一定誤差。在應用過程中，B值可近似為：

其中，BT：溫度在T(K)時的B值，C、D、E為常數(shù)，另外，因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動會引起常數(shù)E發(fā)生變化，但常數(shù)C、D 不變。因此，在探討B(tài)值的波動量時，只需考慮常數(shù)E即可。在求取B值時，只需取溫度——電阻特性曲線上3個數(shù)據(jù)點代入式（2），則可計算出對應的C、D、E值。再把式（2）代入式（1）則可精確求出各溫度點T所對應的熱敏電阻阻值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，必須對熱敏電阻進行在數(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[1-6]提出了多種熱敏電阻特性曲線進行線性化的常用方法。在對熱敏電阻特性曲線進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現(xiàn)對熱敏電阻的溫度——電阻特性曲線進行線性化，具有設計電路簡單易行等特點，但一般使用在精度要求不是很高的場合。而在使用Steinhart-Hart三階方程進行對熱敏電阻特性曲線進行逼近時，具有計算方便、擬合誤差小等特點。所以，在本系統(tǒng)設計中，使用 Steinhart-Hart三階方程[7-8]方法對熱敏電阻溫度-電阻特性曲線進行擬合。

NTC熱敏電阻特性曲線用Steinhart-Hart三階方程進行擬合：

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方程進行擬合時，只要選取熱敏電阻溫度-電阻特性曲線中3個數(shù)據(jù)點代入式（3），則可求解出擬合方程中參數(shù)A、B、C。當所選數(shù)據(jù)點間距不超過熱敏電阻溫度范圍標定中點100 ℃時，方程擬合誤差<±0.02℃。

2 系統(tǒng)設計

數(shù)字測溫系統(tǒng)中主要涉及到以下幾個模塊：溫度傳感器模塊、信號調(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)絡設計

NTC熱敏電阻具有負溫度系數(shù)大，靈敏度約為金屬熱電阻的10倍，標稱電阻值比較大（幾kΩ～幾百kΩ）等特點。在本設計中，NTC熱敏電阻阻值測量網(wǎng)絡采用熱敏電阻與固定電阻進行直接分壓方式實現(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)設計中，測量網(wǎng)絡采用分檔測量方法實現(xiàn)對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)絡中，設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，A/D采樣器與測量網(wǎng)絡選用同一電壓基準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)絡采用分兩檔實現(xiàn)，即10k檔和4k檔。在100℃時，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實現(xiàn)，其具有開關(guān)頻率高，導通電阻小，截止電阻大等特點。在系統(tǒng)設計中取R10=10 kΩ,R4=R8=3.32 kΩ（分壓電阻均采用1%精度的電阻）。電路具體實現(xiàn)過程如下：

（1）當測量溫度較低時（< 40℃）,控制端口CONTROL_2 輸出 低電平，即MOS管2N7002處于截止狀態(tài)，分壓電阻Rx=R10=10 kΩ,即有：

（2）當測量溫度較高時（>35℃）,控制端口CONTROL_2 輸出高電平，即MOS管2N7002處于導通狀態(tài)，又由于2N7002在導通過程中，導通電阻Ron<5Ω相對于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)設計中，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)絡選用同一參考電壓VREF。在此，假設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 外部基準電壓原理圖

2.1.2 外部參考電壓設計

SC431是一精密可調(diào)電壓基準，穩(wěn)壓值可從2.5~36V連續(xù)可調(diào)，低動態(tài)電阻典型值0.25Ω，驅(qū)動電流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（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。

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)設計中，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。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。本設計的軟件部分由C語言編寫實現(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℃。在對系統(tǒng)性能檢測時，使用熱電耦溫度計（±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行冷卻、冰凍。這樣則可測出從-25℃～100℃間各點溫度值。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方法：測量網(wǎng)絡采用更多的檔位、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限制溫度范圍的測溫應用。對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)還可以設計得更完美些，如：提高系統(tǒng)的測量精度和擴大系統(tǒng)測溫范圍；單片機把測量的數(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特性的高精度補償[J]. 青島科技大學學報:自然科學版，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計[J]. 電氣自動化，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C語言開發(fā)入門指導[M]. 北京：清華大學出版社，2003.