盧 佳

（太原工業(yè)學(xué)院, 太原 030008）

0 引言

溫度是與人類緊密相關(guān)的物理量，在許多場合都必須對溫度進(jìn)行測量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，溫度測量的方法也在不斷發(fā)展。在步入數(shù)字時(shí)代的今天，溫度傳感器也在從模擬溫度傳感器轉(zhuǎn)向數(shù)字傳感器。所謂數(shù)字傳感器即智能化傳感器，是由微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其基本功能并且具有協(xié)議數(shù)字型輸出的傳感器。在這方面美國DALLAS公司是走在前面的，該公司將感溫元件和微控制器封裝在一個(gè)芯片具有I2C口或單總線輸出口，可以測量-55℃～125℃的溫度，分辨率為0.5℃。在精度要求不高或測量范圍不太寬的場合可以很方便的用于各種智能檢測設(shè)備中。但是數(shù)字溫度傳感器的發(fā)展并沒有就此終結(jié)，在測量要求精度更高的場合（例如：分辨率要求為0.01℃）或在測量范圍要求更寬的場合(例如：測量范圍為-80℃～+300℃)，我們就必須設(shè)計(jì)符合要求的數(shù)字溫度傳感器。

1 數(shù)字溫度傳感器的一般結(jié)構(gòu)

數(shù)字溫度傳感器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，它分為溫度敏感元件和信號處理部件兩大部分，由于信號處理部件在工作時(shí)或多或少會發(fā)熱，為了不影響溫度敏感元件對被測目標(biāo)的感應(yīng)精度，應(yīng)將這兩部分保持一定的距離，信號處理器件的工作溫度范圍在－55℃～125℃之間，當(dāng)被測溫度超過這個(gè)范圍時(shí)應(yīng)將這兩部分保持相當(dāng)?shù)木嚯x或采取一定的隔離措施。

圖1 數(shù)字溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

2 電路方案

常見的溫度敏感器件有熱電偶、熱敏二極管、鉑電阻、熱敏電阻等。這里以鉑電阻和熱敏電阻為例來完成數(shù)字式溫度傳感器的設(shè)計(jì)，鉑電阻和熱敏電阻都是以電阻值的變化來感受溫度的，前者阻值變化小而線性度好成本也較高，后者阻值變化大但線性度差成本也較低。與力、加速度等其他物理量相比溫度信號的變化比較緩慢，對溫度信號的處理不需過高的CPU速度，可以選擇速度一般成本較低的微控制器來擔(dān)任信號處理器件。圖2為一種電阻類數(shù)字溫度傳感器的硬件原理圖，電路由U1～U4四個(gè)集成電路與電阻電容等分立元件組成。其中U1為模擬開關(guān)CD4051；U2為運(yùn)算放大器TL062；U3為單片機(jī)LPC922；U4為單5 V供電的TTL電平與RS232C電平轉(zhuǎn)換器件MAX232，該器件自帶5V到±12 V DC-DC轉(zhuǎn)換電路，為了盡可能減少本裝置體積和成本，U2的正負(fù)電源直接取U4的V+和V-的輸出。而U1的+5 V、-5 V電源由U4的輸出V+、V-經(jīng)穩(wěn)壓管D1、D2降壓后供給。

圖2 電路基本原理圖

電阻測試采用被測電阻積分計(jì)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)電阻積分計(jì)時(shí)相對照的解算原理，以-2 V作為積分器的輸入，步驟為：

①送模擬開關(guān)控制值A(chǔ)=0及B=0，選X0-Y通路對電容C放電持續(xù)1MS，使CinA=0。

③復(fù)步驟①使CinA=0。

可見被測電阻Rx只與兩次積分的數(shù)字D1、D2及參考電阻Rr有關(guān)而與積分輸入電壓及電容值無關(guān)，這一點(diǎn)正是我們所希望的。而D1，D2幾乎是在同一時(shí)間完成的，這樣求出的電阻Rx具有很高的準(zhǔn)確性。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)求得電阻之后，溫度的求法僅僅是一個(gè)計(jì)算的問題。對于鉑電阻來說一般用一個(gè)二次多項(xiàng)式就可以較精確地表達(dá)溫度T和電阻R之間的關(guān)系，計(jì)算公式為：R=A(0) + A(1)* T + A(2) * T2。對熱敏電阻來說，其溫度變化范圍大，線性度較差。曲線擬合也較復(fù)雜。如某廠生產(chǎn)的熱敏電阻需用5個(gè)系數(shù)來逼近計(jì)算公式為：

T=A(0) + A(1)*lnR + A(2)*（lnR）2 +…+ A(4)*（lnR）4（5）*（lnR）5- 273.15

其中對數(shù)的計(jì)算可采用級數(shù)的展開,用嵌套疊加原理來計(jì)算。

在溫度計(jì)算好后用浮點(diǎn)數(shù)的形式保存在寄存器中，當(dāng)與之聯(lián)接的主機(jī)有命令索取溫度值時(shí)及時(shí)送走，傳感器在平常處于不斷的更新溫度值的狀態(tài)。單片機(jī)共設(shè)兩個(gè)中斷：比較器中斷和通訊中斷。為了保證積分計(jì)數(shù)值的準(zhǔn)確，比較器中斷設(shè)為最高。整個(gè)系統(tǒng)的的流程圖見圖3，從左到右分別為主程序流程圖、通訊中斷流程圖、比較器中斷流程圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 軟件流程圖

用上述方法制作的樣機(jī)連接PT1000鉑電阻進(jìn)行溫度實(shí)測的結(jié)果如表1所示，被測樣本為高低溫恒溫箱，實(shí)測溫度我們選用WSS-411雙金屬溫度計(jì)，實(shí)測的電阻值和溫度值都是樣機(jī)通過RS232接口送回來的值。其中電阻值是直接雙積分A/D求得的，而溫度是由二次方程解得的，溫度T和電阻R的關(guān)系我們用擬合曲線R=aT2+bT+c表達(dá)，廠方給出的 PT1000三組標(biāo)定值分別為：（9.96,1038.875）、（54.98,1213.125）和（99.04,1384.829），由此可求出系數(shù) a=0.0002980113，b=3.851149，c=1000.488。表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，可見測量誤差是很小的。

可見，利用微處理器實(shí)現(xiàn)的智能型多重積分A/D除了具有較好的抗干擾性外，由于其內(nèi)部計(jì)數(shù)器配合軟件計(jì)數(shù)不受位數(shù)限制的特點(diǎn)，可以大大提高采集數(shù)據(jù)的分辨率。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

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