基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于STC單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)的研究 摘要：本文針對(duì)現(xiàn)有溫度測(cè)量方法線性度、靈敏度、抗振動(dòng)性能較差的不足，提出了一種基于STC單片機(jī)，采用Pt1000溫度傳感器，通過(guò)間接測(cè)量鉑熱電阻阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方案。重點(diǎn)介紹了，鉑熱電阻測(cè)量溫度的原理，基于STC實(shí)現(xiàn)鉑熱電阻阻值測(cè)量，牛頓迭代法計(jì)算溫度，給出了部分硬件、軟件的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)測(cè)量精度高，線性好，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，具有一定的工程價(jià)值。關(guān)鍵詞：STC單片機(jī)、Pt1000溫度傳感器、溫度測(cè)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(xué)、生物醫(yī)藥、精細(xì)化工、精密儀器等領(lǐng)域?qū)囟瓤刂凭鹊囊髽O高，而溫度控制的核心正是溫度測(cè)量。目前在國(guó)內(nèi)，應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫方法有熱電偶測(cè)溫、集成式溫度傳感器、熱敏電阻測(cè)溫、鉑熱電阻測(cè)溫四種方法。(1) 熱電偶的溫度測(cè)量范圍較廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是它的電動(dòng)勢(shì)小，靈敏度較差，誤差較大，實(shí)際使用時(shí)必須加

6、冷端補(bǔ)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(diǎn)，適于遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳輸。但由于價(jià)格相對(duì)較為昂貴，在國(guó)內(nèi)測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用還不是很廣泛。(3) 熱敏電阻具有靈敏度高、功耗低、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其阻值與溫度變化成非線性關(guān)系，在測(cè)量精度較高的場(chǎng)合必須進(jìn)行非線性處理，給計(jì)算帶來(lái)不便，此外元件的穩(wěn)定性以及互換性較差，從而使它的應(yīng)用范圍較小。（4）鉑熱電阻具有輸出電勢(shì)大、線性度好、靈敏度高、抗振性能好等優(yōu)點(diǎn)。雖然它的價(jià)格相對(duì)于熱敏電阻要高一些，但它的綜合性能指標(biāo)確是最好的。而且它在0200C范圍內(nèi)的穩(wěn)定性較好，故其在工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域應(yīng)用較廣。 本文提

7、出的一種以STC單片機(jī)為控制核心，采用PT1000鉑熱電阻溫度傳感器作為測(cè)溫元件的溫度測(cè)量系統(tǒng)，能解決溫度測(cè)量線性度、靈敏度、抗振動(dòng)性能較差，測(cè)量范圍較小的不足，精度較高，方便實(shí)用。1 系統(tǒng)總體方案該溫度測(cè)量系統(tǒng)主要由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、STC單片機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)換模塊、溫度顯示模塊組成。其中信號(hào)調(diào)理電路由信號(hào)濾波電路和信號(hào)放大電路組成。圖1為基于STC單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖1 基于STC單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 STC單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心，采集經(jīng)濾波電路和放大電路進(jìn)行濾波和放大處理后的PT1000溫度傳感器阻值信號(hào)，并由其片內(nèi)10位A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)阻值信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，一定的算

8、法把阻值信號(hào)計(jì)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(shí)鐘及復(fù)位電路是STC單片機(jī)正常工作的必要條件。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、STC單片機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)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(guò)間接測(cè)量鉑熱電阻阻值的方法來(lái)間接測(cè)量溫度。另外鉑熱電阻具有輸出電勢(shì)大、線性度好、靈敏度高、互換性好等優(yōu)點(diǎn),適合作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。鉑熱電阻在0 850范圍內(nèi)其阻值與溫度的變化關(guān)系為： (2-1)式中，t為溫度值 R0為0時(shí)鉑熱電阻的阻值 Rt

9、為t時(shí)鉑熱電阻的阻值A(chǔ)， B為分度系數(shù)值。常用的鉑熱電阻型號(hào)有Pt100、Pt500、Pt1000。對(duì)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(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，Pt1000的電阻值變化量最大，因此測(cè)量的靈敏度最高。另外，通過(guò)Pt1000鉑熱電阻的電流較小時(shí)，它也能產(chǎn)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(hào)調(diào)理電路 為了使溫度測(cè)量更加精確，Pt1000鉑熱電阻溫度傳感器采集到的信號(hào)需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路濾波放大處理后，再進(jìn)入STC單片機(jī)進(jìn)行片

10、內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算。如圖2為Pt1000鉑熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理電路。 圖2 Pt1000鉑熱電阻溫度信號(hào)調(diào)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(diǎn)。芯片內(nèi)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(jīng)Pt1000鉑熱電阻，提取傳感器信號(hào)，電壓值為U1, 另一路流經(jīng)阻值為1000的精密電阻Rk，產(chǎn)生一個(gè)精確穩(wěn)定的電壓U2作為差分放大器的基準(zhǔn)。INA122為差分放大器，對(duì)U1、U2的信號(hào)差分放大輸出。它由兩個(gè)低功耗高性能運(yùn)放構(gòu)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?yàn)椋鹘?jīng)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(shè)置差分放大器的增益： （2-5）經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理后，Pt1000溫度信號(hào)得到了很好的過(guò)濾和放大，有利于進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算結(jié)果更加精確。2.3 STC單片機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)NIA122差分放大后的電壓輸出信號(hào)就可以經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入STC單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用STC單片機(jī)系統(tǒng)片內(nèi)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器。ADC10模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有10位轉(zhuǎn)換精度，采樣速度快，采樣頻率可達(dá)300KHz,內(nèi)置

12、采樣保持電路，配置有8路外部通道，可做溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)、頻譜檢測(cè)等。使用方便，可靈活地運(yùn)用以節(jié)省軟件量和時(shí)間。使用STC單片機(jī)外部晶體時(shí)鐘或內(nèi)部R/C振蕩器產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)鐘為ADC10模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘。這樣的好處是：在提高ADC的工作頻率以及轉(zhuǎn)換速度的同時(shí)，使STC單片機(jī)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(zhuǎn)換結(jié)果為： （2-6）式中，NADC 為ADC10模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果。 Vin 為模擬電壓輸入量。VCC 為單片機(jī)實(shí)際工作電壓。 經(jīng)過(guò)STC單片機(jī)的ADC10模數(shù)轉(zhuǎn)換后，Pt1000溫度傳感器的溫度信號(hào)就轉(zhuǎn)變?yōu)镾TC單片機(jī)可以計(jì)算處理的數(shù)字信號(hào)。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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。SMC1602A是標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，采用點(diǎn)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(nèi)置 HD44780 接口型液晶顯示控制器，廣泛應(yīng)用于各類儀器儀表及電子設(shè)備。SMC1602A共有 16 個(gè)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(lái)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(hào)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(hào)（H/L）E使能信號(hào)D0D78位數(shù)據(jù)線BLA背光源正極BLK背光源負(fù)極 表1 SMC1602A引腳及功能介紹3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件從功能上分為主程序和溫度信號(hào)處理程序。3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)主程序在完成系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入等待模式。當(dāng)有溫度信號(hào)處理中斷時(shí)，程序跳出等待模式，進(jìn)入溫度信號(hào)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(hào)處理程序溫度信號(hào)處理主程序當(dāng)系統(tǒng)程序進(jìn)入溫度信號(hào)處理程序后，開啟ADC10轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及計(jì)算。為使溫度數(shù)據(jù)更加精確，需進(jìn)行多次采樣和A/D轉(zhuǎn)換

15、，并采用數(shù)字濾波算法進(jìn)行數(shù)字濾波。溫度信號(hào)處理程序如圖4所示。 圖4 溫度信號(hào)處理程序 溫度信號(hào)數(shù)字濾波本系統(tǒng)中所采集的溫度信號(hào)是電壓信號(hào)，屬于模擬量輸入，常常會(huì)有干擾信號(hào)的疊加，這樣就會(huì)造成AD轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值，造成較大的系統(tǒng)誤差。因此如果只進(jìn)行單次采樣和轉(zhuǎn)換，是不可行的。必須多次采樣和轉(zhuǎn)換，對(duì)采樣序列值經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后才能得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在本系統(tǒng)采用中值濾波的方法，有效的減小了隨機(jī)干擾對(duì)采樣結(jié)果的影響。中值濾波方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是對(duì)連續(xù)采樣轉(zhuǎn)換N次的溫度信號(hào)按大小順序排列，截去此序列中的最大值和最小值后，對(duì)其它數(shù)值取平均值，作為有效的溫度信號(hào)，這樣就有效的消除了隨機(jī)信號(hào)的干擾。

16、中值濾波的表達(dá)式: （3-1）式中，N為采樣序列數(shù)值的個(gè)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(jīng)過(guò)中值濾波后，系統(tǒng)的測(cè)量值更加精確。 溫度計(jì)算對(duì)于溫度的計(jì)算一般采用查表法，即在Pt1000分度表中查找某一阻值下對(duì)應(yīng)的溫度。這種方法雖簡(jiǎn)單可行，但由于分度值數(shù)據(jù)過(guò)多，會(huì)占用較大的存儲(chǔ)空間，影響系統(tǒng)運(yùn)行速度。為此，本系統(tǒng)采用牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)溫度的計(jì)算。首先設(shè)方程： （3-2）設(shè)tn 是方程精確解附近的一個(gè)猜測(cè)解，過(guò)點(diǎn)（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(jiǎn)化計(jì)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(yùn)行情況下，適當(dāng)?shù)牟扇《啻蔚?，能使?jì)算精度更加精確。4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和分析產(chǎn)生溫度測(cè)量誤差的原因主要有三個(gè)：（1） Pt1000溫度傳感器本身的測(cè)量分辨率造成的。（2） Pt1000溫度傳感器與被測(cè)量介質(zhì)相觸時(shí)會(huì)有熱傳導(dǎo)誤差。（3） A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算處理會(huì)有一定的誤差。系統(tǒng)的測(cè)量發(fā)法是：把本溫度測(cè)量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)放置在可調(diào)節(jié)的恒溫裝置中。人為改變恒溫裝置的溫度，多次測(cè)量。并把測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)結(jié)果相比較，計(jì)算測(cè)量誤差。測(cè)試結(jié)果如表2。測(cè)量次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)示數(shù)（）測(cè)量溫度示數(shù)（） 測(cè)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(cè)量結(jié)果 由測(cè)試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)精度較高，方案可行可靠。5 小結(jié)本設(shè)計(jì)在完成系統(tǒng)軟硬件具體開發(fā)和軟件編程任務(wù)的基礎(chǔ)上，還從事了系統(tǒng)試驗(yàn)和完善等工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明本系統(tǒng)很好的解決了現(xiàn)有溫度測(cè)量方法線性度、靈敏度、抗振動(dòng)性能較差的問(wèn)題，并具有工作可靠、操作直觀和結(jié)構(gòu)模塊化等優(yōu)點(diǎn)。具有一定工程的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1 李 平，張 健. 基于單片機(jī) C8051F350的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)J儀表技術(shù)與傳感器，2000(8)：44463黃江平.一種實(shí)用的熱電阻測(cè)溫方法J.科技廣場(chǎng)，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(shù)與傳感器，2000(02):40-42