一種多通道環境溫度採集系統的設計

1、引言

    溫度是工業生產中常見的和最基本的參數之一，在生產過程中常需對溫度進行檢測和監控。採用微型機進行溫度檢測、數字顯示、信息存儲及實時控制，對於提高生產效率和產品質量、節約能源等都有重要的作用。考慮到許多工業環境中對多點溫度進行監控，一般需要測量幾十個點以上，為此，我們研製了一種採用 AT89C52單片機進行控制的多通道溫度檢測系統。

2、硬體的總體設計

    本系統由溫度採集電路、單片機、按鍵、顯示、數據存儲等部分組成，成對溫度信號的採集、處理、存儲，控制系統的工作的功能。原理框圖1所示。

圖1 系統硬體原理框圖

3、 溫度採集電路的設計與分析
3.1 傳感器的選擇

    在選擇溫度傳感器時，應考慮的主要因素有溫度測量範圍、精度、響應時間、穩定性、線性度和靈敏度。目前，應用最廣泛的溫度傳感器是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和PN結型溫度傳感器。

    熱電偶由兩種不同的金屬構成，它們的一端熔接在一起形成一個敏感結，溫度變化時將有一個相應的熱電勢產生，使用熱電偶測量溫度時容易引入誤差（冷端誤差）。熱電阻傳感器電阻值隨溫度增加而增加，最常見的構成材料是鉑、鎳或銅，其線性度好，但價格較高，阻值小，連入測量電路中須考慮引線電阻影響。PN結型溫度傳感器利用了在一定的電流模式下，PN 結的正向電壓與溫度之間有很好的線性關係這一特徵，測溫精度高。

    熱敏電阻由鈷、錳、鎳等金屬的氧化物以不同配方高溫燒結而成，包括正溫度係數熱敏電阻（PTC），負溫度係數熱敏電阻（NTC）和在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器（CTR），在溫度測量中主要採用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 應用較多。熱敏電阻的阻值隨溫度變化而迅速變化，且阻值較大，如應用於野外測量，幾十歐的引線電阻對測量影響較小，可忽略不計，非常適合測量微弱溫度變化。但是非線性嚴重，使用時必須進行線性化處理。由於本系統測量點多，考慮價格等多種因素，選用NTC型熱敏電阻較為合適。

3.2 測溫電路的組成

    選用珠狀熱敏電阻，外面套銅殼，中間灌導熱沙，用膠封口連線使用。溫度電壓轉換電路由不平衡電橋實現，放大電路採用LF347四運放晶片，構成差分放大電路，將電橋輸出電壓轉換為對地電壓。採用八選一的模擬開關CD4051，三個地址選擇引腳，兩片組成8×8矩陣，可連接64路溫度傳感器。CD4051電子開關閉合時漏洩電流很低，導通時導通電阻也比較低，當輸入參考電壓±5V，導通電阻在160歐姆左右，輸入電壓正負都可以工作，效果比較理想。整體電路圖如圖2所示，其中最左側兩個端子用於連接熱敏電阻，電橋中的電位器用於調平電橋，對地電壓輸出後至最右端可接A/D轉換器。

圖2 溫度測量電路

3.3  A/D轉換部分、顯示器件和存儲設備

    A/D轉換晶片選用美國德州儀器公司的12位串行A/D轉換器TLC2543，具有11路模擬輸入通道，在工作範圍內10us的轉換時間，三路內置自測試方式，最大線性誤差±1LSB，單雙極性輸出，具備可編程的輸出數據長度和MSB、LSB前導。性能價格比合適，轉換精度較高，因此適用於各種儀器儀表之中。

    由於需要顯示漢字，例如「XX號空氣溫度XX.X」，字體採用16×16點陣形式，顯示器件採用192×64點陣字符型液晶顯示模塊，電壓較低，功耗比較小，電路連接簡單，控制語句只有七條，便於單片機編程。

    存儲設備選用RAMTRON公司生產的鐵電存儲器FM3164，一種集成了存儲器、實時時鐘、看門狗定時器、低電壓提前報警、手動復位去抖等許多單片機伺服電路，64KB的數據存儲解決了許多問題。鐵電存儲器採用了先進的存儲技術，使擦寫次數超過了1億次，使用壽命長，為存儲實時採集數據提供了方便。溫度信號包括數據2位元組，通道號1位元組，月、日、時、分數據4位元組，每天1小時採集一次，1個月總共30×24小時，1個月共需要存儲量(64×3+4)× 30×24/1024≈130KB，鐵電存儲器空間不夠時，可再擴展一片AT29C040海量存儲器512KB，可轉存兩個月的數據。系統簡圖如圖3所示。[page]

圖3 溫度採集系統簡圖

3.4 測溫元件的溫度特性分析與線性化處理

    熱敏電阻的阻值與溫度的關係可用以下公式表示：

    可見αT是隨溫度的降低迅速增大，因此適用於本系統中測量相對較低溫度。

    熱敏電阻的線性化方法有很多種，分為硬體線性化方法和軟體線性化方法。硬體線性化方法採用串並聯電阻的方法對熱敏電阻進行線性化，軟體線性化方法可採用查表法讀取溫度值。串並聯電阻可在某一溫度區間（如0℃～50℃）獲得較好的線性化效果。

    以串聯電路為例，由圖4可列出串聯電路分壓的電路方程：

      （3）

圖4 串聯電路與並聯電路

（4）

    並聯電路經推導得出的電阻值表達式與（7）式相同。由上式得到的並聯電阻值與熱敏電阻並聯，得到的並聯電阻值，從阻值與溫度曲線可看出，在常用溫度測量區間（0℃～50℃）左右，熱敏電阻的阻值的線性化程度有了明顯的改善，如圖5所示。

    只採用硬體的處理並不能較為理想地解決線性化的問題，必須採用軟體方法進行線性化補償校正，並聯電阻後使曲線較為平坦，但相鄰溫度（1℃）之間的電阻差值變小，再連入電橋後相鄰溫度之間的電壓差值變小，從而會影響測量溫度的解析度。因此，直接將熱敏電阻連入電橋中，平衡溫度為25℃（電阻 10KΩ），將熱敏電阻放入恆溫浴槽中，改變溫度值測定電壓值，多次測量選擇較為理想的數據，溫度—電壓數據表格和曲線如表1、圖6所示。

    由圖可以看出，在常用溫度範圍內（0℃～40℃），溫度與電壓之間的線性關係較好，相鄰溫度（1℃）之間電壓差值為40mv左右。處理數據可採用多項式擬合的方法，得出溫度與電壓之間的函數關係式。本系統採用查表的方法，在測量範圍內，以1℃為間隔，將所測量的數據列表存儲在ROM中。若測量溫度在兩個電壓數據之間，則採用逐次插值的方法，先計算相鄰兩點之間的斜率，再根據兩點之間的直線方程計算溫度值，由公式8得出，溫度採集的程序流程如圖7所示。[page]

                    （8）

圖5 並聯電阻值與原始值比較（kΩ）

 

溫度℃

電壓mV

溫度℃

電壓mV

溫度℃

電壓mV

-10

-1545

10

-722

30

222

-6

-1399

14

-529

34

384

-2

-1236

18

-342

38

539

2

-1092

22

-160

42

686

6

-908

26

51

46

826

表1 溫度—電壓對照表

圖6 溫度—電壓曲線

    為了進一步減小測量誤差，可採用平均值濾波方法，即反覆測量某一通道的電壓值，得到多個數據取平均值，再由上述方法得到溫度值。由於測量精度限制，顯示結果到小數點後一位，為軟體計算補償值。

4 、結束語

    本多通道溫度採集系統實用性強，能夠很好地巡迴採集測量多路信號，結構較為簡單，成本低，外接元件少。在實際應用中工作性能穩定，測量溫度準確，精度較高。系統在硬體設計上充分考慮到了可擴展性，經過一定的添加或改造，很容易增加功能，如從單片機主晶片串行口連接RS232轉換晶片MAX232與PC機相連，完成溫度實時數據的傳遞和其他控制工作。適用範圍廣泛，可以單獨使用作為監控儀，應用於農業溫室大棚監測植物生長的環境變化，工業廠房測量各部分的工作溫度等等。也可以作為智能控制系統的一部分，與其它設備協同工作。系統移植性強，只需改變前端測量用的傳感器類型，可在此基礎上修改為其 他非電量參數的測量系統。

圖7溫度採集的程序流程

 

參考文獻：

[1] 李道華，李玲，朱豔. 傳感器電路分析與設計. 武漢大學出版社，2003.3

[2] 何鵬，袁琪，丁春欣. 傳感器在溫室大棚環境控制中的應用. 計算機與農業. 2002年第7 期.

[3] 張迎春，高文紅. 熱敏電阻不平衡電橋的簡單設計技巧. 山東輕工業學院學報. VOL11，NO.1 1997年3月.

[4] 孟凡文. NTC熱敏電阻的非線性誤差及其補償. 傳感器世界. 2003.5

[5] 施隆照，楊曉玲，伍水順. NTC熱敏電阻串、並聯溫度補償電路設計. 福州大學學報（自然科學版）Vol.31 No.4 Aug2003

[6] 馬忠梅，籍順心，張凱，馬巖. 單片機的C語言應用程式設計. 北京航空航天大學出版社. 2003.11

 

關鍵字：熱敏電阻  線性化  度採集系統 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/mcu/2012/0215/article_7572.html

推薦閱讀

熱敏電阻測量方法及步驟

提供一個簡便的測試方法，雖達不到專業水平的精度，但可大致測量熱敏電阻的阻值和精度，希望可以幫到大家。1、將一支標準熱敏電阻兩引線端夾在鱷魚夾上，萬用表筆另一端插入萬用表，開啟萬用表將其撥至電阻測量適當擋位，此時萬用表顯示出此室溫下熱敏電阻的阻值。2、將溫度計橫放入油盤內，（溫度計要全部浸入油中），刻度向上。3、將恆溫油盤裝滿色拉油。（註：如果使用不鏽鋼盤，請在盤底墊上3~ 5mm 塑料板作隔熱保溫層）。4、當監控油溫的萬用表顯示值相對穩定時即表明油溫較穩定，此時可測試油內恆溫的電阻，如鱷魚夾上用於監控的熱敏電阻的阻值和精度與待測熱敏電阻的阻值精度相同時，可以進行對比測量。5、將一對鱷魚夾分別換接在一對萬用表筆測試端。6、將鱷魚夾

發表於 2020-12-24

TDK開發新款車規熱敏電阻

TDK公司宣布開發新的NTC熱敏電阻，該晶片專為導電粘合貼裝而設計，從而擴大了TDK的NTCSP系列產品陣容。 NTC熱敏電阻晶片用於溫度感測和補償，在汽車應用（包括ABS中），變速箱或發動機內部等不直接接觸的情況下進行測量。新的NTCSP系列零件號提供10kΩ，47kΩ和100kΩ類型，尺寸為1.0×0.5 mm和1.6×0.8 mm。響應多樣化安裝方法的需求，新型晶片NTC熱敏電阻產品採用AgPd端接，可進行導電粘合安裝，它們最適合於難以焊接的應用。NTCSP系列具有-55°C至150°C的寬工作溫度範圍，可在低溫至高溫範圍內用於各種溫度測量和補償功能。它們是高度可靠的，並通過了全球無源組件汽車標準AEC-Q200的認證

發表於 2020-12-02

MSP430單片機熱敏電阻溫度測量系統電路設計

　　測量溫度一般採用熱敏電阻做傳感器，測量的方法有R—V 轉換電壓測量法和R—F 轉換頻率測量法。這兩種方法的電路複雜且成本高，電路中很多元器件直接影響測量精度。本文論述一種類R—F 轉換頻率的測量法，用NE555定時器和熱敏電阻等器件構成振蕩器，由MSP430單片機的捕獲功能來捕獲多諧振蕩器輸出信號的高低電平並計數，熱敏電阻Rt 與捕獲高低電平時的計數值的差值成正比關係。　　MSP430單片機計數法測溫原理　　以NE555定時器為核心組成典型的多諧振蕩器，把被測熱敏電阻Rt 作為定時元件之一接入電路中，NE555定時器輸出引腳接MSP430單片機的P1．2腳（Timer_A：捕獲、CCIlA輸入引腳）。系統電路如圖3所示

發表於 2020-10-30

Vishay推出NTC熱敏電阻，採用加長PEEK絕緣鎳鐵引線實現快速、高精度測量

日前，Vishay Intertechnology, Inc.宣布，推出新款環氧樹脂封裝NTC熱敏電阻---NTCLE317E4103SBA，採用加長PEEK絕緣鎳鐵合金引線，熱梯度超低，適用於汽車和工業應用高精度溫度測量、感測和控制。鎳鐵合金Vishay BCcomponents NTCLE317E4103SBA傳感器導線導熱性達到市場最低水平。器件具有出色的熱解耦性，溫度測量精度達± 0.5 °C，優於其他導線材料（如銅）幾個度量級。為加強高溼度條件下的可靠性，日前發布的器件PEEK絕緣引線與封裝環氧樹脂之間具有極高的粘合強度。NTCLE317E4103SBA小磁珠最大直徑為1.6 mm，在空氣中的響應時間不到3秒。75 mm

發表於 2020-10-10

Vishay全新NTC熱敏電阻可實現快速、高精度測量

日前，Vishay Intertechnology, Inc.（NYSE 股市代號：VSH）宣布，推出新款環氧樹脂封裝NTC熱敏電阻---NTCLE317E4103SBA，採用加長PEEK絕緣鎳鐵合金引線，熱梯度超低，適用於汽車和工業應用高精度溫度測量、感測和控制。 鎳鐵合金Vishay BCcomponents NTCLE317E4103SBA傳感器導線導熱性達到市場最低水平。器件具有出色的熱解耦性，溫度測量精度達± 0.5 °C，優於其他導線材料（如銅）幾個度量級。 為加強高溼度條件下的可靠性，日前發布的器件PEEK絕緣引線與封裝環氧樹脂之間具有極高的粘合

發表於 2020-10-09

如何利用微控制器設計技術大限度提高熱敏電阻精度

作為支持模擬和數字溫度傳感器的高級應用/系統工程師，在工作中經常被問到有關溫度傳感器應用的問題。其中有很多是關於模數轉換器（ADC）的，由於ADC在系統應用中的重要性，我花費很多時間在解釋ADC對系統精度有何意義，以及如何理解並實現所選傳感器的更大系統精度上。溫度傳感器用於大功率開關電源設計中，需要監測功率電晶體和散熱器。電池充電系統需要溫度傳感器監測電池溫度，以便安全充電並優化電池壽命，家庭恆溫器則需要溫度傳感器監測房間溫度，以相應控制供暖，通風和空調系統。 這些應用中，常用的溫度測量方法是使用負溫度係數（NTC）熱敏電阻。NTC是電阻器件，其電阻隨著溫度的改變而改變。為了滿足當今溫度傳感器需求，一種更新、更高

發表於 2020-09-14