基于單片機的溫度測量系統(tǒng)設計

1、基于STC單片機的溫度測量系統(tǒng)的研究 摘要：本文針對現(xiàn)有溫度測量方法線性度、靈敏度、抗振動性能較差的不足，提出了一種基于STC單片機，采用Pt1000溫度傳感器，通過間接測量鉑熱電阻阻值來實現(xiàn)溫度測量的方案。重點介紹了，鉑熱電阻測量溫度的原理，基于STC實現(xiàn)鉑熱電阻阻值測量，牛頓迭代法計算溫度，給出了部分硬件、軟件的設計方法。實驗驗證，該系統(tǒng)測量精度高，線性好，具有較強的實時性和可靠性，具有一定的工程價值。關鍵詞：STC單片機、Pt1000溫度傳感器、溫度測量、鉑熱電阻阻值、牛頓迭代法。Study of Temperature Measurement System based on STC s

2、ingle chip computerZhang Yapeng,Wang Xiangting,Xu Enchun,Wei MaolinAbstract: A method to achieve temperature Measurement by the Indirect Measurement the resistance of platinum thermistor is proposed. It is realized by the single chip computer STC with Pt1000 temperature sensor. The shortcomings of a

3、vailable methods whose Linearity, Sensitivity, and vibration resistance are worse are overcame by the proposed method. This paper emphasizes on the following aspects: the principle of temperature measurement by using platinum thermistor , the measurement of platinum thermistors resistance based on S

4、TC single chip computer, the calculating temperature by Newton Iteration Method. Parts of hardware and software are given. The experimental results demonstrate that the precision and linearity of the method is superior. It is also superior in real-time character and reliability and has a certain val

5、ue in engineering application.Keywords: STC single chip computer，Pt1000 temperature sensor，platinum thermistors resistance，Newton Iteration Method0 引言精密化學、生物醫(yī)藥、精細化工、精密儀器等領域對溫度控制精度的要求極高，而溫度控制的核心正是溫度測量。目前在國內，應用最廣泛的測溫方法有熱電偶測溫、集成式溫度傳感器、熱敏電阻測溫、鉑熱電阻測溫四種方法。(1) 熱電偶的溫度測量范圍較廣，結構簡單，但是它的電動勢小，靈敏度較差，誤差較大，實際使用時必須加

6、冷端補償，使用不方便。(2) 集成式溫度傳感器是新一代的溫度傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，適于遠距離測量和傳輸。但由于價格相對較為昂貴，在國內測溫領域的應用還不是很廣泛。(3) 熱敏電阻具有靈敏度高、功耗低、價格低廉等優(yōu)點，但其阻值與溫度變化成非線性關系，在測量精度較高的場合必須進行非線性處理，給計算帶來不便，此外元件的穩(wěn)定性以及互換性較差，從而使它的應用范圍較小。（4）鉑熱電阻具有輸出電勢大、線性度好、靈敏度高、抗振性能好等優(yōu)點。雖然它的價格相對于熱敏電阻要高一些，但它的綜合性能指標確是最好的。而且它在0200C范圍內的穩(wěn)定性較好，故其在工業(yè)測溫領域應用較廣。 本文提

7、出的一種以STC單片機為控制核心，采用PT1000鉑熱電阻溫度傳感器作為測溫元件的溫度測量系統(tǒng)，能解決溫度測量線性度、靈敏度、抗振動性能較差，測量范圍較小的不足，精度較高，方便實用。1 系統(tǒng)總體方案該溫度測量系統(tǒng)主要由溫度傳感器、信號調理電路、STC單片機計算轉換模塊、溫度顯示模塊組成。其中信號調理電路由信號濾波電路和信號放大電路組成。圖1為基于STC單片機的溫度測量系統(tǒng)的結構圖。圖1 基于STC單片機的溫度測量系統(tǒng)的結構圖 STC單片機作為本系統(tǒng)的核心，采集經濾波電路和放大電路進行濾波和放大處理后的PT1000溫度傳感器阻值信號，并由其片內10位A/D轉換模塊對阻值信號進行模數(shù)轉換，一定的算

8、法把阻值信號計算為溫度，并控制液晶顯示模塊直觀的顯示出溫度數(shù)值。電源、時鐘及復位電路是STC單片機正常工作的必要條件。2 系統(tǒng)硬件設計 本溫度測量系統(tǒng)的硬件設計主要包括溫度傳感器、信號調理電路、STC單片機計算轉換模塊、溫度顯示模塊組成。2.1 溫度傳感器 本系統(tǒng)采用鉑熱電阻作為溫度傳感器。由于鉑熱電阻的阻值具有隨著溫度的變化而改變的特性，所以可以通過間接測量鉑熱電阻阻值的方法來間接測量溫度。另外鉑熱電阻具有輸出電勢大、線性度好、靈敏度高、互換性好等優(yōu)點,適合作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。鉑熱電阻在0 850范圍內其阻值與溫度的變化關系為： (2-1)式中，t為溫度值 R0為0時鉑熱電阻的阻值 Rt

9、為t時鉑熱電阻的阻值A， B為分度系數(shù)值。常用的鉑熱電阻型號有Pt100、Pt500、Pt1000。對于PT1000鉑熱電阻溫度傳感器，R0=1000，A=3.908*10-3 -1，B= -5.802*10-7 -2 。不難看出，當溫度發(fā)生變化時，Pt1000的電阻值變化量最大，因此測量的靈敏度最高。另外，通過Pt1000鉑熱電阻的電流較小時，它也能產生較大的壓降，有利于降低系統(tǒng)的功耗。所以本系統(tǒng)采用Pt1000鉑熱電阻作為溫度傳感器是比較合理的。2.2 信號調理電路 為了使溫度測量更加精確，Pt1000鉑熱電阻溫度傳感器采集到的信號需經過信號調理電路濾波放大處理后，再進入STC單片機進行片

10、內A/D轉換并計算。如圖2為Pt1000鉑熱電阻溫度信號調理電路。 圖2 Pt1000鉑熱電阻溫度信號調理電路如圖2，REF200為電路提供恒流源，它具有高精度、低溫度系數(shù)和寬電壓范圍等優(yōu)點。芯片內部集成兩路100uA電流源和一路鏡像電流源。恒流源REF200提供的兩路100uA電流，一路流經Pt1000鉑熱電阻，提取傳感器信號，電壓值為U1, 另一路流經阻值為1000的精密電阻Rk，產生一個精確穩(wěn)定的電壓U2作為差分放大器的基準。INA122為差分放大器，對U1、U2的信號差分放大輸出。它由兩個低功耗高性能運放構成，可以由單電壓2.2V36V供電，而靜態(tài)電流僅為60uA，有利于降低系統(tǒng)功耗。

11、因為，流經Pt1000電流為I,則 （2-2）由于 （2-3）則差分放大器的輸出 （2-4）式中，K為差分放大器的差分放大倍數(shù)。INA122外接到電阻RN可設置差分放大器的增益： （2-5）經過信號調理電路處理后，Pt1000溫度信號得到了很好的過濾和放大，有利于進行A/D模數(shù)轉換，計算結果更加精確。2.3 STC單片機計算轉換模塊經NIA122差分放大后的電壓輸出信號就可以經過A/D轉換器完成模數(shù)轉換，并將轉換結果送入STC單片機進行計算和處理。A/D模數(shù)轉換器采用STC單片機系統(tǒng)片內自帶的10位A/D轉換器。ADC10模數(shù)轉換器具有10位轉換精度，采樣速度快，采樣頻率可達300KHz,內置

12、采樣保持電路，配置有8路外部通道，可做溫度檢測、電壓檢測、頻譜檢測等。使用方便，可靈活地運用以節(jié)省軟件量和時間。使用STC單片機外部晶體時鐘或內部R/C振蕩器產生的系統(tǒng)時鐘為ADC10模數(shù)轉換器提供時鐘。這樣的好處是：在提高ADC的工作頻率以及轉換速度的同時，使STC單片機工作在較低的頻率，系統(tǒng)具有較低的功耗。輸入的模擬電壓值最終轉換結果為： （2-6）式中，NADC 為ADC10模數(shù)轉換器轉換結果。 Vin 為模擬電壓輸入量。VCC 為單片機實際工作電壓。 經過STC單片機的ADC10模數(shù)轉換后，Pt1000溫度傳感器的溫度信號就轉變?yōu)镾TC單片機可以計算處理的數(shù)字信號。2.4 溫度顯示模塊

13、溫度顯示模塊采用SMC1602A液晶顯示模塊配合STC單片機來實現(xiàn)。SMC1602A是標準字符點陣型液晶顯示模塊，采用點陣型液晶顯示器(LCD)，可顯示16字符2行西文字符，字符尺寸為 2.954.35(WXH)mm，內置 HD44780 接口型液晶顯示控制器，廣泛應用于各類儀器儀表及電子設備。SMC1602A共有 16 個引腳，其中D0D7 是 8位雙向數(shù)據(jù)總線，它的方向由讀寫控制引腳 R/W 來決定，高電平為讀，可以由CPU讀寫；低電平為寫，可以寫入 8 位數(shù)據(jù)。E 為使能信號引腳，高電平有效。全部功能與引腳如表1所示。引腳名稱引腳功能VSS電源地VDD電源正極VOLCD偏壓輸入RS數(shù)據(jù)/

14、命令選擇端（H/L）R/W讀寫控制信號（H/L）E使能信號D0D78位數(shù)據(jù)線BLA背光源正極BLK背光源負極 表1 SMC1602A引腳及功能介紹3 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件從功能上分為主程序和溫度信號處理程序。3.1 系統(tǒng)主程序設計主程序在完成系統(tǒng)初始化后，進入等待模式。當有溫度信號處理中斷時，程序跳出等待模式，進入溫度信號處理程序，在執(zhí)行完此中斷程序后，重新回到等待模式。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。圖3 主程序流程圖3.2 溫度信號處理程序溫度信號處理主程序當系統(tǒng)程序進入溫度信號處理程序后，開啟ADC10轉換器進行模數(shù)轉換，并對數(shù)據(jù)進行處理及計算。為使溫度數(shù)據(jù)更加精確，需進行多次采樣和A/D轉換

15、，并采用數(shù)字濾波算法進行數(shù)字濾波。溫度信號處理程序如圖4所示。 圖4 溫度信號處理程序 溫度信號數(shù)字濾波本系統(tǒng)中所采集的溫度信號是電壓信號，屬于模擬量輸入，常常會有干擾信號的疊加，這樣就會造成AD轉換結果偏離真實值，造成較大的系統(tǒng)誤差。因此如果只進行單次采樣和轉換，是不可行的。必須多次采樣和轉換，對采樣序列值經過數(shù)字濾波處理后才能得到一個較為準確的轉換結果。在本系統(tǒng)采用中值濾波的方法，有效的減小了隨機干擾對采樣結果的影響。中值濾波方法的實現(xiàn)過程是對連續(xù)采樣轉換N次的溫度信號按大小順序排列，截去此序列中的最大值和最小值后，對其它數(shù)值取平均值，作為有效的溫度信號，這樣就有效的消除了隨機信號的干擾。

16、中值濾波的表達式: （3-1）式中，N為采樣序列數(shù)值的個數(shù)，Xi 是去掉序列中最大值和最小值之后的各采樣值。這樣經過中值濾波后，系統(tǒng)的測量值更加精確。 溫度計算對于溫度的計算一般采用查表法，即在Pt1000分度表中查找某一阻值下對應的溫度。這種方法雖簡單可行，但由于分度值數(shù)據(jù)過多，會占用較大的存儲空間，影響系統(tǒng)運行速度。為此，本系統(tǒng)采用牛頓迭代法實現(xiàn)溫度的計算。首先設方程： （3-2）設tn 是方程精確解附近的一個猜測解，過點（tn ，f（tn）作函數(shù)f(t)的切線，切線方程為： （3-3）令y=0，解得 （3-4）為簡化計算，迭代初始溫度取f(t)的線性部分： （3-5）式中，A,R0 已知

17、，K為差分放大器增益。在保證系統(tǒng)運行情況下，適當?shù)牟扇《啻蔚苁褂嬎憔雀泳_。4 系統(tǒng)實驗和分析產生溫度測量誤差的原因主要有三個：（1） Pt1000溫度傳感器本身的測量分辨率造成的。（2） Pt1000溫度傳感器與被測量介質相觸時會有熱傳導誤差。（3） A/D轉換及計算處理會有一定的誤差。系統(tǒng)的測量發(fā)法是：把本溫度測量系統(tǒng)和標準溫度計放置在可調節(jié)的恒溫裝置中。人為改變恒溫裝置的溫度，多次測量。并把測量溫度與標準溫度計結果相比較，計算測量誤差。測試結果如表2。測量次數(shù)標準溫度計示數(shù)（）測量溫度示數(shù)（） 測量誤差110.00 10.03 0.03223.15 23.190.043 32.

18、4832.50-0.024 54.82 54.79-0.035 67.31 67.330.026 70.23 70.270.047 90.82 90.79-0.03表2 溫度測量結果 由測試結果可以看出，本系統(tǒng)精度較高，方案可行可靠。5 小結本設計在完成系統(tǒng)軟硬件具體開發(fā)和軟件編程任務的基礎上，還從事了系統(tǒng)試驗和完善等工作。經實驗測試表明本系統(tǒng)很好的解決了現(xiàn)有溫度測量方法線性度、靈敏度、抗振動性能較差的問題，并具有工作可靠、操作直觀和結構模塊化等優(yōu)點。具有一定工程的應用前景。參考文獻：1 李 平，張 健. 基于單片機 C8051F350的溫度測量系統(tǒng)設計J.20105:30-31.2 楊永竹鉑電阻高精度非線性校正及其在智能儀表中的實現(xiàn)J儀表技術與傳感器，2000(8)：44463黃江平.一種實用的熱電阻測溫方法J.科技廣場，2005(01);124-125.4王生鐵，王志和，傅闖.鉑電阻溫度傳感器非線性校正的新方法J.儀表技術與傳感器，2000(02):40-42