孫宏健，李文軍，高 猛，李佳琪，鄭永軍

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

一種數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)

孫宏健，李文軍，高 猛，李佳琪，鄭永軍

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

設(shè)計(jì)了一種數(shù)字溫度計(jì)，由單片機(jī)STC89C52、溫度傳感器DS18B20、四位一體共陽(yáng)極數(shù)碼管、按鍵、報(bào)警模塊、升(降)溫模塊及電源模塊組成.提出了由單片機(jī)與溫度傳感器組成的硬件設(shè)計(jì)方案，軟件系統(tǒng)包括主函數(shù)、LED驅(qū)動(dòng)子程序、溫度設(shè)置子程序、報(bào)警處理子程序以及DS18B20溫度采集子程序等部分.利用恒溫槽和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)對(duì)數(shù)字溫度計(jì)做了靜態(tài)校準(zhǔn).最后評(píng)定了溫度示值校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度.

保溫箱；溫度測(cè)量；數(shù)字溫度計(jì)；溫度示值校準(zhǔn)；不確定度評(píng)定

溫度測(cè)量直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量好壞甚至實(shí)驗(yàn)的成功與否[1].以保溫箱為例，保溫箱溫度的設(shè)定和箱體溫度的反饋關(guān)系著箱內(nèi)物品的安全使用.傳統(tǒng)的氟利昂和化學(xué)試劑制冷加熱不但不能較精確地將保溫箱保持恒定溫度，它的泄露更對(duì)人們生存環(huán)境帶來(lái)潛在的污染威脅[2].此外，保溫箱控溫點(diǎn)及控溫范圍的精確設(shè)定亦關(guān)系著其內(nèi)物體正常與否.為解決這些問(wèn)題，在具體設(shè)計(jì)新式數(shù)字電路的過(guò)程中，基于單片機(jī)的新式設(shè)計(jì)方式具備了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3].利用接觸式測(cè)溫直觀、DS18B20傳感器響應(yīng)快且精度高的特點(diǎn)，本文在保溫箱中加入了接觸式數(shù)字溫度計(jì)指示溫度.

1 工作原理

1.1 接觸測(cè)溫原理

接觸式測(cè)溫法是工業(yè)和商用常用的測(cè)溫方法.按照熱力學(xué)第零定律，接觸測(cè)溫是將測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，兩者之間充分進(jìn)行熱交換以達(dá)到熱平衡，此時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值.電量式測(cè)溫法是接觸式測(cè)溫法的一種.它主要利用測(cè)溫材料的電勢(shì)、電阻或其它電性能與溫度的單值關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量.以DS18B20智能溫度傳感器為例，它采用數(shù)字化技術(shù)和單線接口方式，將感溫元件和有關(guān)的電子線路集成到一塊芯片上，通過(guò)門(mén)開(kāi)通期間內(nèi)低溫系數(shù)晶振經(jīng)歷的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度.

1.2 溫度計(jì)校準(zhǔn)

溫度計(jì)測(cè)溫的準(zhǔn)確度和精度需要借助更高等級(jí)的溫度計(jì)做校準(zhǔn).在實(shí)際工作中，因?yàn)槿鄙贁?shù)字溫度計(jì)的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，各計(jì)量檢定部門(mén)對(duì)數(shù)字溫度計(jì)的校準(zhǔn)和校準(zhǔn)結(jié)果的處理方法也不盡相同[4].我們采用恒溫槽-數(shù)字溫度計(jì)-標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)比較校準(zhǔn)方法[5-6].因DS18B20在-10～85 ℃的精度為0.5 ℃，可編程分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃,0.25 ℃,0.125 ℃,0.062 5 ℃，借助二等鉑電阻溫度計(jì)對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)[7].

2 數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)主要由MCU處理器STC89C52、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、四位一體共陽(yáng)極數(shù)碼管、按鍵、報(bào)警模塊、升(降)溫模塊及電源模塊組成[8]，如圖1.其中，按鍵的功能為設(shè)置上下限報(bào)警溫度.

圖1 裝置組成示意圖Figure 1 Overall block diagram of the device

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件處理模塊

選用的STC89C52RC單片機(jī)為深圳宏晶推出的低功耗/高速/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，工作電壓3.3～5.5 V.掉電模式下典型功耗小于0.1 mA，空閑模式下典型功耗小于2 mA，正常工作模式下典型功耗為4～7 mA.工作溫度范圍-40～85 ℃(工業(yè)級(jí))/0～75 ℃(商業(yè)級(jí))，適用于電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備，價(jià)格經(jīng)濟(jì).

2.1.2溫度傳感器模塊

選用的DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字溫度傳感器.它采用單總線協(xié)議，即與單片機(jī)接口僅需占用一個(gè)I/O端口,可直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字碼方式串行輸出[9].該傳感器的測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，工作電壓為3.0～5.5 V.DS18B20由三個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件組成，分別為64位激光ROM、溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL，其內(nèi)部框圖如圖2.

圖2 DS18B20內(nèi)部框圖Figure 2 Internal block diagram of DS18B20

DS18B20通過(guò)門(mén)開(kāi)通期間低溫系數(shù)晶振經(jīng)歷的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度，而門(mén)開(kāi)通期由高溫系數(shù)晶振決定.低溫系數(shù)晶振與高溫系數(shù)晶振相比振蕩頻率受溫度影響較小，兩者產(chǎn)生的脈沖信號(hào)分別作為計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入.計(jì)數(shù)器和溫度寄存器預(yù)置于-55 ℃時(shí)的基數(shù).當(dāng)?shù)蜏叵禂?shù)晶振的脈沖信號(hào)傳入計(jì)數(shù)器1，計(jì)數(shù)器1的值進(jìn)行減法計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器預(yù)置基數(shù)為0，溫度寄存器的值加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)為0，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度[10].斜率累加器用來(lái)補(bǔ)償和修正晶振測(cè)溫過(guò)程中的非線性.具體溫度測(cè)量電路如圖3.

圖3 溫度測(cè)量電路圖Figure 3 Diagram of temperature measurement circuit

溫度讀數(shù)以16位、符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供.數(shù)據(jù)在單線接口上串行發(fā)送.單片機(jī)通過(guò)串行通信方式從中讀取數(shù)據(jù).

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 程序設(shè)計(jì)

裝置程序分為主函數(shù)、LED驅(qū)動(dòng)子程序、溫度設(shè)置子程序、報(bào)警處理子程序以及DS18B20溫度采集子程序等幾個(gè)部分.主程序流程圖如圖4.

其中，按鍵程序主要由四部分組成，分別對(duì)應(yīng)四個(gè)按鍵，它實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

圖4 主程序流程圖Figure 4 Flowchart of the main program

1) S1—報(bào)警掃描.若報(bào)警，LED燈亮且啟動(dòng)加熱或降溫裝置，若無(wú)警報(bào)，直接讀數(shù)；

2) S2—報(bào)警溫度設(shè)置.按一下設(shè)置高溫報(bào)警，按兩下設(shè)置低溫報(bào)警，按三下返回讀數(shù)；

3) S3—溫度值+1鍵；

4) S4—溫度值-1鍵.

2.2.2 溫度采集子程序算法

DS18B20的高速暫存器RAM由9個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器組成，其中第0～1字節(jié)是溫度顯示位.溫度數(shù)據(jù)在高速存儲(chǔ)器RAM的第0和第1字節(jié)的存儲(chǔ)格式如表1.

表1 溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式Table 1 Format of temperature data storage

DS18B20在出廠時(shí)默認(rèn)為12位，其中最高位為符號(hào)位，即溫度值共11位.單片機(jī)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，一次會(huì)讀2字節(jié)共16位，讀完后將低11位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制后再乘以0.062 5便為所測(cè)得實(shí)際溫度值[11].另外，還需要判斷溫度的正負(fù).前5個(gè)數(shù)字為符號(hào)位，這5位同時(shí)變化，只需要判斷11位就可以.前5位為1時(shí)，讀取的溫度值為負(fù)值，且測(cè)得的數(shù)值需要取反加1再乘以0.062 5才可得到實(shí)際溫度值.前5位為0時(shí)，讀取的溫度為正值，且溫度為正值時(shí)，只要將測(cè)得的數(shù)值乘以0.062 5即可得到實(shí)際溫度值.

3 數(shù)字溫度計(jì)數(shù)值校準(zhǔn)

使用的恒溫槽是由中國(guó)計(jì)量學(xué)院和湖州唯立儀表廠聯(lián)合研制的HT-2-3型標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽，用來(lái)校準(zhǔn)溫度計(jì)的鉑電阻為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)[12].實(shí)驗(yàn)時(shí)首先設(shè)定恒溫槽溫度，待示數(shù)穩(wěn)定后分別用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和數(shù)字化溫度計(jì)讀取加熱恒溫槽用水溫度.鑒于項(xiàng)目需要，設(shè)置了0～1 ℃的溫度區(qū)間，每隔0.1 ℃讀取一個(gè)溫度點(diǎn)，分別三次升溫和降溫各讀取10次數(shù)值取平均值以消除測(cè)溫過(guò)程中的隨機(jī)誤差.具體的升溫和降溫過(guò)程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化，如圖5和圖6.

圖5 升溫過(guò)程溫度測(cè)量圖Figure 5 Figure of temperature measurement in the process of heating up

圖6 降溫過(guò)程溫度測(cè)量圖Figure 6 Temperature measurement in the process of cooling

4 示值校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

4.1 數(shù)學(xué)模型

示值誤差按公式(1)計(jì)算：

Δt=td-ts-x.

(1)

式(1)中：Δt，數(shù)字溫度計(jì)各標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，℃；td,數(shù)字溫度計(jì)各校準(zhǔn)點(diǎn)正、反行程的示數(shù)平均值，℃；ts,二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)得的槽溫溫度值，℃;x，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在該溫度點(diǎn)的示值修值，℃.

4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4.2.1 輸入量td的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

輸入量td的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源于以下方面：

1) 被檢溫度計(jì)示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td1)，用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定；

2) 被檢溫度計(jì)讀數(shù)分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td2)，用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定.

對(duì)于u(td1)：將數(shù)字溫度計(jì)與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)置于設(shè)定溫度為0 ℃的恒溫槽中，待數(shù)值穩(wěn)定后，分別進(jìn)行10次等精度測(cè)量，讀取的數(shù)字溫度計(jì)數(shù)值如下.

表2 數(shù)字溫度計(jì)在0 ℃的示值Table 1 Value of the digital thermometer at 0 ℃

結(jié)合實(shí)際，取2次測(cè)量值的平均值作為測(cè)量結(jié)果，則算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為

(2)

自由度:v(td1)=9.

對(duì)于u(td2):被檢數(shù)字溫度計(jì)在0～1 ℃內(nèi)其分辨力為0.01 ℃，則不確定度半寬為0.005 ℃，x服從均勻分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(3)

估計(jì)其不可靠性為10%，自由度v(td2)=50.

因u(td1)、u(td2)相互獨(dú)立，則可得輸入量td的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(4)

4.2.2 輸入量ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

輸入量ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源于以下方面：二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的讀數(shù)分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ts1),用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定[13];恒溫槽溫場(chǎng)不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ts2)，用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定；恒溫槽溫度波動(dòng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ts3)，用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定.

對(duì)于u(ts1)：二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在0～1 ℃的讀數(shù)分辨力為0.01 ℃，不確定度區(qū)間半寬為0.01 ℃，按均勻分布處理，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(5)

估計(jì)其不可靠性為20%[14]，自由度v(ts1)=12.

對(duì)于u(ts2)：恒溫槽溫場(chǎng)最大溫差為0.01 ℃，則同一溫度點(diǎn)溫場(chǎng)介于±0.01 ℃之間，按均勻分布處理，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(6)

估計(jì)不可靠性為10%，自由度v(ts2)=50.

對(duì)于u(ts3)：恒溫槽溫度波動(dòng)度為±0.01 ℃/30 min，則不確定度區(qū)間半寬為0.01 ℃，按均勻分布處理，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(7)

估計(jì)不可靠性為10%，自由度v(ts3)=50.

因u(ts1)、u(ts2)、u(ts3)相互獨(dú)立，則可得輸入量ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(8)

自由度

(9)

4.2.3 輸入量X的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

由修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x)，用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定.

由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻檢定規(guī)程可知，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在水三相點(diǎn)處檢定周期內(nèi)不穩(wěn)定性為0.01 K，屬于正態(tài)分布[15].則由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(10)

包含因子kp=3,估計(jì)其不可靠性為10%，自由度v(x)=50.

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與有效自由度

因以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度相互獨(dú)立，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(11)

其有效自由度公式如下

(12)

4.4 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度由合成不確定度uc乘以包含因子k得到，記為U,如式(13)所示

U=kuc.

(12)

設(shè)置信概率P為95%，則按照有效自由度v查t分布表得k95=2.14.

則U95=k95uc=0.08.

5 結(jié) 語(yǔ)

利用溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)并制造了一種接觸式數(shù)字溫度計(jì).用恒溫槽和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)對(duì)該數(shù)字溫度計(jì)做了校準(zhǔn)，分析了測(cè)溫過(guò)程中產(chǎn)生的誤差及產(chǎn)生的原因，確定了最大示值誤差和回程誤差.結(jié)果表明該溫度計(jì)可用于保溫箱的溫度測(cè)量.

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Design and calibration of a digital thermometer

SUN Hongjian, LI Wenjun, GAO Meng, LI Jiaqi, ZHENG Yongjun

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

We designed a digital thermometer which consisted of an MCU STC89C52, a temperature sensor DS18B20, a four-in-one common-anode LED digital display, buttons, an alarm module, a warm (cool) module and a power supply. The hardware design scheme included MCU and temperature sensors. The software design scheme included the main program design, the temperature collection subroutine, and the implement-ation process of the main function module. The digital thermometer was static calibrated with a thermostatic bath and a standard platinum resistance thermometer (Grade Ⅱ). Finally, the results of temperature uncertainty were assessed.

incubator; temperature measurement; digital thermometer; temperature calibration; uncertainty assessment

2096-2835(2016)04-0400-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.008

2016-09-14 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TP216

A