关于温度信号的分析与处理

测量信号分析与处理 研究生课程论文 1 课程论文成绩： 评语： 任课教师签字： 年 月 日 关于温度信号的分析与处理 2012级 ，仪 器 仪 表工程， 张 光明 摘要：温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。在温度 测量中，大量噪声的存在使得原本十分微弱的温度信号淹没在噪声之中。此外，温度传感器的非线性、A/D 转换 器的非线性和电路工作环境的变化，都会 给温度带来的严 重的误差。 这些给信号的检测和处理系统的设计带来了 很大麻烦。本文以自己研究通断 时间面积法热量计费系统为 依托， 为消除或减弱测温过程中多个方面的影响因 素，以及实现对温度的高精度 测量， 对其中应用的两种温度 传感器铂电阻和 DS1820 的温度信号的采集和处理进 行了一些探讨。 关键词: 温度传感器；PT1000 ；DS1820；滤波；msp430 单片机 1 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温 度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起 到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占 50%。 然而，在温度测量中，大量噪声的存在使得原本十分微弱的温度信号淹没在噪声之中，给信 号的检测和处理系统的设计带来了很大麻烦。对有效信号的采集和对噪声的抑制水平直接影响到 系统温度测量性能的优劣。 传统的温度检测方式一般采用热电偶或热敏电阻，输出模拟信号，经A/D 转换后才能送入单片 机处理器，检测电路复杂。在对温度信号进行模拟处理时，模拟信号在长距离传输和多次加工、 放大过程中信号电流的波形会改变，使信号失去一些信息，严重时出现信号中断。 数字信号处理是一个新的学科领域，它通过计算机或专用处理设备，用数字方式去处理数字 或符号所表示的序列，以得到更符合人们要求的信号形式。由于数字信号处理的直接对象是数字 信号，处理的方式是数值运算方式，使它相对模拟信号处理具有许多优点。数字信号处理灵活性 强、稳定性高、精度高、便于大规模集成。数字信号形式简单、抗干扰能力强、可以进行加密， 测量信号分析与处理 研究生课程论文 2 而且可以存储、运算 系统可以获得高性能的指标参数。这些特点，使信号的数字处理在温度信 号分析与处理中发挥了巨大作用。 本文涉及的通断时间面积法热量计费系统应用到两种温度传感器PT1000和单总线智能型数字 温度传感器DS1820，前者用于测量供暖管道中供水和回水温度，后者用于测量用户室内温度。针 对传感器的非线性、电路及元器件和AD 转换的非线性等因素对温度测量的影响，实现了多路温 度的高精度检测，达到了要求设计指标。对其中应用的两种温度传感器铂电阻和DS1820的温度信 号的采集和处理进行了一些探讨。 2 温度采集系统 2.1 温度采集系统的整体设计 实现对温度的控制不仅需要中央处理和控制部件如单片机 ，还涉及温度检测和采集部分、模 数转换部分、信号放大部分、显示部分等构成。其中 ，非常重要的一部分是温度测量部分。 传感器 放大器整流滤波电路跟随器 A/D 转换 输出显示电路单片机 D/A 转换 图1 一般信号的处理过程 如图 1 所示，传感器对温度感知，经过转换电路转换为人们可以容易处理的电信号或光信 号，再经过信号放大，整流滤波跟随，转化为单片机可以控制和识别的有用信号，这些过程均为 模拟信号处理。 2.2 温度传感器的选择 在一个测温系统中如果要进行可靠的温度测量，首先就需要选择正确的温度仪表，也就是温 度传感器。其中热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC都是测试中最常用的温度传感器。选用 适当的温度传感器尤为重要，它可以精确感应温度的变化，进而实现温度的控制。 铂电阻测量准确度高，稳定性好，测温范围宽等特点，在中低温度范围内可作为标准仪器使 用。其原理是利用元件电磁参量随温度变化的特性对温度与温度有关的参量进行检测的装置。因 其线性度相对较好，耐氧化能力很强，并且温度范围宽，其测温的范围从-200+650，目前 在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用。同时考虑配线电阻的影响，由于四线制中恒流源流 过配线电阻引起的压降不在测量回路中，对配线的影响能完全的消除，因此，该系统中传感器选 转换电路 测量信号分析与处理研究生课程论文 3 用了四线制铂电阻温度传感器。此温度传感器用于测量供暖管道中供水和回水温度。 DS1820 是美国 DALLAS 半导体公司的单总线智能型数字温度传感器，它通过单总线与处理 器进行数据传输，主要由 64 位 ROM、温度敏感元件、非易失性温度告警触发器 TH 和 TL、配置 寄存器组成。供电范围为 3.05.5；测温范围为-55125，可根据系统需求通过设置配置寄存 器中的 R1、 R0 位调整为 912 位分辨率，对应的可分辨温度和最大转换时间如表所示；每个 DS1820 器件有惟一的序列号，多个 DS1820 器件可接至同一个单总线上构成多点分布式温度测量 系统；具有极强的抗干扰纠错能力。因而其可以作为测量用户室内多点平均温度的良好器件。 3 温度信号的处理 3.1 温度的模拟信号处理 3.1.1 铂电阻传感器的温度信号处理 该传感器的信号处理电路需要完成将与温度有关的电阻变化信号变换成统一的电压信号。转 换后的电压信号比较微弱，且含有大量干扰噪声，需要经过放大和整流滤波处理。模拟信号的放 大过程可以采用集成放大电路实现，而其滤波过程基于温度信号变化过程慢且有滞后性的特点， 可以选用简单实用的RC高通滤波电路来实现。 为了实现对铂电阻阻值的精确测量，本文采用精密电阻组校正的方法。分别在待测铂电阻的 两端并联7个精密电阻，同时加上一恒流源， ，分别在各个电阻上产生电压差，电压信号经过多路 模拟开关和滤波电路分时被msp430f42X的差分A/D转换口采样，然后经过msp430f42X微处理器做 数据处理。通过不同标准电阻阻值所对应的A/D转换值利用分段比例系数分段来计算不同温度范围 内铂电阻的精确阻值，进而得出当前的较准确温度值。 ，可以降低PT1000的非线性及AD 本身的非 线性带来的测量误差。 3.1.2 DS1820传感器的温度信号处理 DS1820通过们开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度，门开通期 由高温度系数振荡器决定。传感器内部直接将温度信号转化为可被单片机所采用的数字信号，因 而其信号的处理过程主要在于对其数字信号进行处理。 3.2 温度信号的数字信号处理 随着数字计算机的飞速发展，信号处理的理论和方法也得以发展。在我们的面前出现了不受 物理制约的纯数学的加工（即算法）并确立了信号处理的领域。现在，对于信号的处理，人们通 常是先把模拟信号变成数字信号，然后利用高效的数字信号处理器或计算机对其进行数字信号处 理。 如图1中，信号的有关数字处理过程包括模数转换(A/D转换)，即把模拟信号变成数字信号， 是一个对自变量和幅值同时进行离散化的过程，基本的理论保证是采样定理。数字信号处理，包 括变换域分析(如频域变换)、数字滤波、识别、合成等，此部分一般采用单片机进行。还有一部 分数模转换(D/A转换)，把经过处理的数字信号还原为模拟信号。通常这一步并不是必须的。 测量信号分析与处理 研究生课程论文 4 采样位数即采样值或取样值，用来衡量温度波动变化的参数，采样频率是指单片机在一秒钟 内对温度信号的采样次数，采样频率越高温度的实时准确度就越高。 采样位数和采样率对于温度输入信号接口来说是最为重要的两个指标，也是选择A/D转换的两 个重要标准。无论采样频率如何，理论上来说采样的位数决定了温度数据分辨率。采样位数越多 则捕捉到的信号越精确。对于采样率来说你可以想象它类似于一个照相机，44.1kHz意味着音频流 进入计算机时计算机每秒会对其拍照达441000次。显然采样率越高，计算机摄取的图片越多，对 于原始音频的还原也越加精确。 对于实时数据采集系统，为了消除干扰信号，通常需要对采集到的数据进行数字滤波，数字 滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形(或频谱)进行加工处理，或者说利用数 字方法按预定的要求对信号进行变换。 数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转化为代表 输出信号的数字时间序列，并在转化过程中，使信号按预定的形式变化。数字滤波器有多种分 类，根据数字滤波器冲激响应的时域特征，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应（IIR） 滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。从性能上来说，IIR滤波器传输函数的极点可位于单位 圆内的任何地方，因此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存贮单元少，所以经济而效率 高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。相反，FIR 滤波器却可以得到严格的线性相位，然而由于FIR滤波器传输函数的极点固定在原点，所以只能用 较高的阶数达到高的选择性；对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可以比IIR滤 波器高510倍，结果，成本较高，信号延时也较大；如果按相同的选择性和相同的线性要求来 说，则IIR滤波器就必须加全通网络进行相位较正，同样要大增加滤波器的节数和复杂性。整体来 看，IIR滤波器达到同样效果阶数少、延迟小，但是有稳定性问题，非线性相位；FIR滤波器没有 稳定性问题，线性相位，但阶数多，延迟大。 常采用的数字滤波法有以下几种： 1)、算术平均滤波法 算术平均滤波法是指对一点数据连续采n个值，然后取其平均值。这种方法能够滤除一般的随 机干扰信号，使信号变的平滑，但当n值较大时，灵敏度会降低，故n值要视具体情况进行选取。 一般情况下取35平均即可。 2)、滑动平均滤波法 算术平均滤波法每计算一次数据需要采集n次数据，这对于测量数据较慢或要求数据计算速度 较快的实时控制系统则无法使用，此时可采用滑动平均滤波法。滑动平均滤波法是把n个采样值看 成一个队列，队列是长度为n，每进行一次采样就把采样值放入队尾，而去掉原队首的一个采样 值，这样队列中就始终有n个“最新”的采样值，对这n个值进行平均就可以得到新的滤波值。滑 动平均滤波法对周期性的干扰具有较好的抑制作用，但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，难 以消除由于脉冲干扰而引起的采样值的偏差。 3） 、去极值滤波法 算术平均滤波法和滑动平均滤波法都难以消除脉冲干扰所引起的误差，会将脉冲干扰“平 测量信号分析与处理研究生课程论文 3 均”到结果中去。在脉冲干扰严重的场合可采用去极值平均滤波法。去极值平均滤波法的思想 是，连续采样n个值，找出并去除其中的最大值和最小值，然后对其余的n-2个值求平均，即可得 到有效采样值。为了使算法简单，n通常取偶数，如4、6、8、10等。 4） 、中位值滤波法 对某一被测信号连续采样n次，然后把n次采样值按大小排序，取中间值为本次采样值。为方 便，n一般取奇数。算法上则可以采用“冒泡法”来对这n个数据进行排序。中位值滤波法能有效 地克服因偶然因素引起的波动干扰，但对于一些快变参数则不宜采用。 考虑到室内温度变化较慢，不会出现突然升高或突然降低的关系，可以选用滑动平均滤波 法，抑制周期性的干扰。而对于供回水温度的测量，由于供暖管道受外界天气影响较大，供回水 温度变化范围较大，采用去极值滤波法。 4 结束语 本文采用的标准电路和分段标定的方法以及在单片机处理器中对采样信号的数字滤波处理， 有效地消除或降低了在测温过程中的不利因素，实现了对温度高精度，高分辨率测量，同时该设 备具有传感器短路断路自动监测功能。而且利用单片机对温度进行实时监测和控制具有非常重要 的实用价值。其结构和实现较为简单，应用领域广泛，已经成为现代集成工业控制系统中的一个 重要组成部分。 参考文献: 1 吕建波. 基于单总线数字温度传感器 DS1820 的测温系统设计 J. 现代电子技术, 20