董曉宇 孟海彥 孔令布

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266071）（2.青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的制冷制熱設(shè)備運(yùn)用于醫(yī)療行業(yè)。醫(yī)用超低溫冰箱對(duì)冷柜的環(huán)溫、冷凝器探頭溫度、換熱器探頭溫度及柜溫探頭溫度的要求都很高。測(cè)溫電路是這些設(shè)備的基本組成部分，其精度和分辨率不但決定一個(gè)產(chǎn)品的溫控水平，而且是實(shí)現(xiàn)智能溫控的一個(gè)必要前提?；贜TC熱敏電阻的分壓式測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其軟硬件簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)溫精度高的熱敏電阻測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)方案在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)能夠達(dá)到較高測(cè)溫精度，且模塊通用性強(qiáng)，成本低，可應(yīng)用于各種需要進(jìn)行溫度檢測(cè)的場(chǎng)合。

2 測(cè)溫模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 熱敏電阻阻值測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

熱敏電阻用于溫度檢測(cè)，就是精確獲取熱敏電阻的阻值變化，通過(guò)外加電源，把熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，再通過(guò)STM32f103ZET6自帶的A/D器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，不僅可實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度高，使用微控制器自帶的A/D，而且可實(shí)現(xiàn)硬件簡(jiǎn)單，成本較低。

圖1 熱敏電阻阻值測(cè)量原理圖

如圖1所示熱敏電阻阻值測(cè)量原理圖。

由圖1可形象地展示本電路圖設(shè)計(jì)的精妙之處，采用跳線帽的方式來(lái)選擇分壓的方式，是在精密電阻上分壓還是在熱敏電阻上分壓。如圖2所示跳線帽的形式，用跳線帽把Vref與精密電阻左端連接熱敏電阻與地線連接即在熱敏電阻上分壓，如果精密電阻左端與地線連接熱敏電阻與參考電壓連接即在精密電阻上分壓，該裝置選擇在熱敏電阻上分壓的方式。

圖2 跳線帽跨接電路圖

2.2 影響熱敏電阻阻值測(cè)量精度的主要因素

熱敏電阻阻值獲取的精度是影響模塊測(cè)溫精度的主要因素之一，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而降低，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用R25，10K，B值（材料常數(shù)）為3435的熱敏電阻，熱敏電阻阻值與被測(cè)溫度值之間的關(guān)系由Steinhar t-Hart確定：如下式（1）

對(duì)以上方程加以說(shuō)明：

1）Rt是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；

2）R是熱敏電阻在常溫T2下的標(biāo)稱阻值；B值是熱敏電阻的材料常數(shù)；

3）T1和T2指的是K度，即開爾文溫度

熱敏電阻和精密電阻串聯(lián)分壓，所分電壓大小由如下式（2）確定

進(jìn)而可以得到熱敏電阻的阻值如下式（3）

由圖3曲線可清楚的看出熱敏電阻阻值隨溫度的變化為負(fù)溫度系數(shù)。

圖3 熱敏電阻隨溫度變化曲線

如圖4熱敏電阻分壓隨熱敏電阻阻值的變化，精密電阻取值范圍5K～255K。

圖4 不同精密電阻Rt分壓曲線

所測(cè)量的溫度的精確度不僅與熱敏電阻阻值獲取的精度及分壓值獲取的精度有關(guān)，還與精密電阻的精度有關(guān)，為防止精密電阻隨溫度變化造成的誤差耦合到熱敏電阻上，由圖4和如表1由可清除得出Rk取值100K時(shí)曲線較平滑分壓范圍相對(duì)較廣。

表1 精密電阻與分壓的關(guān)系

3 數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的濾波處理

在測(cè)溫過(guò)程中，電路工作不可避免會(huì)受噪聲及其它各種原因的干擾，為減小噪聲的干擾，特別是測(cè)溫過(guò)程中突發(fā)噪聲的影響，提高精度和穩(wěn)定性，需對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用遞推中位值平均濾波法，遞推中位值平均濾波法就是把連續(xù)N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并去掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)（遵守先進(jìn)先出的原則），把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)先去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。采用遞推中位值平均濾波法可有效地避免偶然性突變的誤差，如下所示可以形象地描述遞推中位值平均濾波法的過(guò)程及結(jié)果。

3.2 測(cè)溫的軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)流程主要包括初始化，上電自檢，檢查電路是否是通的、傳感器是否正常、采集ADC的值換算成相應(yīng)的溫度并對(duì)比判斷測(cè)得溫度的準(zhǔn)確性、對(duì)測(cè)得的溫度進(jìn)行校正，系統(tǒng)的軟件控制程序流程如圖5所示。

由于本裝置電路簡(jiǎn)單，而且選用了集成度很高的STM32微處理器，使得軟件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，程序流程也很簡(jiǎn)單，對(duì)STM32微處理器的I/0口等進(jìn)行初始化后檢測(cè)一下電路連接是否正常，如果正常直接采集得ADC的值adcx，根據(jù)STM32微處理器的精度換算出NTC分得電壓公式為

把式（1），（6）代入式（3）得（7）

圖5 軟件流程圖

由式（7）可以直接得到所對(duì)應(yīng)的溫度t1=T1-273.15K。

但是考慮到STM32微處理器的處理速度及NTC熱敏電阻的特性（負(fù)溫度系數(shù)非線性），本裝置采用分段線性插值的方法精確地測(cè)得所對(duì)應(yīng)的溫度，分段線性插值通俗的講就是把插值點(diǎn)用折線段連接起來(lái)逼近所對(duì)應(yīng)的溫度值，分段越多，線性化精度越高。如果所分的段數(shù)足夠多，那么每一小段可以近似的看作直線段，為使線性化處理不至于帶來(lái)較大誤差，進(jìn)行了以下特殊處理：

1）在-50℃～100℃內(nèi)以1℃為間隔進(jìn)行分段，可以分得151個(gè)小區(qū)間記151個(gè)段，在每個(gè)區(qū)域段內(nèi)進(jìn)行線性化處理，采用最小二乘擬合確定每段區(qū)域的直線方程，減小直線擬合的均方誤差，每個(gè)段點(diǎn)的阻值組成一個(gè)表格。為了避免出現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算提高微處理器計(jì)算速度，把每個(gè)段點(diǎn)的溫度值擴(kuò)大10倍組成一個(gè)表格，并把兩個(gè)表格存進(jìn)ROM中，供CPU在需要時(shí)查找。

2）當(dāng)輸入一個(gè)被求點(diǎn)的阻值后，將該電阻值與阻值表中的所有電阻值進(jìn)行比較，從而確定該溫度值所處的區(qū)間段。

3）確定溫度所處的區(qū)間段后，為了避免讓微控制器計(jì)算時(shí)出現(xiàn)負(fù)數(shù)（因?yàn)樨?fù)數(shù)的計(jì)算涉及到符號(hào)運(yùn)算，就比較麻煩了）。所以首先對(duì)Rx-1，Rx，Rx+1這三者的關(guān)系進(jìn)行預(yù)判，然后根據(jù)具體情況選擇合適的公式。

4）如圖6所示分段線性插值的程序流程圖。

實(shí)測(cè)結(jié)果證明，采用上述的方法，可有效提高處理速度，減小每段的線性化誤差，保證測(cè)溫的精度要求。

圖6 分段線性插值流程圖

4 測(cè)溫效果分析

在完成硬軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，測(cè)得結(jié)果與精密測(cè)溫裝置鉑電阻（ADS1248+PT100）進(jìn)行了比較，在-50℃～100℃溫度范圍內(nèi)，設(shè)置了3個(gè)溫度點(diǎn)，把熱敏電阻和PT100鉑電阻放在環(huán)境相同的封閉恒溫槽容器內(nèi)，通過(guò)串口把測(cè)得的溫度值顯示在LCD12864液晶顯示屏上，十分鐘觀測(cè)一次溫度值，觀察的各個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量值，結(jié)果表明該測(cè)溫裝置在需要高精度測(cè)溫的場(chǎng)合有很好的實(shí)用價(jià)值，數(shù)據(jù)記錄見如表2。

表2 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

表2中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計(jì)的測(cè)溫裝置模塊測(cè)溫穩(wěn)定，在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)測(cè)溫精度能夠達(dá)到±0.1℃，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)溫，同時(shí)也證明了分段線性插值的有效性，保證測(cè)溫的精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本測(cè)溫裝置硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用具有高集成度的微處理器芯片STM32，軟件濾波，非線性校正，分段線性插值處理。實(shí)現(xiàn)了低成本高精度測(cè)溫的要求，對(duì)熱敏電阻實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫實(shí)際開發(fā)應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值，若想進(jìn)一步提高該裝置的測(cè)溫精度，可在電源的穩(wěn)定性，分段線性插值的快速定位和測(cè)溫直線方程的擬合上做進(jìn)一步的研究。

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