基于单片机的温度测量系统设计

基于 STC 单片机的温度测量系统的研究 摘要 本文针对现有温度测量方法线性度 灵敏度 抗振动性能较差的不足 提出了一种 基于 STC 单片机 采用 Pt1000 温度传感器 通过间接测量铂热电阻阻值来实现温度测量 的方案 重点介绍了 铂热电阻测量温度的原理 基于 STC 实现铂热电阻阻值测量 牛顿 迭代法计算温度 给出了部分硬件 软件的设计方法 实验验证 该系统测量精度高 线 性好 具有较强的实时性和可靠性 具有一定的工程价值 关键词 STC 单片机 Pt1000 温度传感器 温度测量 铂热电阻阻值 牛顿迭代法 Study of Temperature Measurement System based on STC single chip computer Zhang Yapeng Wang Xiangting Xu Enchun Wei Maolin Abstract 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 available 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 thermistor s resistance based on STC 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 value in engineering application Keywords STC single chip computer Pt1000 temperature sensor platinum thermistor s resistance Newton Iteration Method 0 引言 精密化学 生物医药 精细化工 精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高 而温 度控制的核心正是温度测量 目前在国内 应用最广泛的测温方法有热电偶测温 集成式温度传感器 热敏电阻测 温 铂热电阻测温四种方法 1 热电偶的温度测量范围较广 结构简单 但是它的电动势小 灵敏度较差 误 差较大 实际使用时必须加冷端补偿 使用不方便 2 集成式温度传感器是新一代的温度传感器 具有体积小 重量轻 线性度好 性能稳定等优点 适于远距离测量和传输 但由于价格相对较为昂贵 在国内测温领域的 应用还不是很广泛 3 热敏电阻具有灵敏度高 功耗低 价格低廉等优点 但其阻值与温度变化成非 线性关系 在测量精度较高的场合必须进行非线性处理 给计算带来不便 此外元件的稳 定性以及互换性较差 从而使它的应用范围较小 4 铂热电阻具有输出电势大 线性度好 灵敏度高 抗振性能好等优点 虽然它 的价格相对于热敏电阻要高一些 但它的综合性能指标确是最好的 而且它在 0 200 C 范围内的稳定性较好 故其在工业测温领域应用较广 本文提出的一种以 STC 单片机为控制核心 采用 PT1000 铂热电阻温度传感器作为测温 元件的温度测量系统 能解决温度测量线性度 灵敏度 抗振动性能较差 测量范围较小 的不足 精度较高 方便实用 1 系统总体方案 该温度测量系统主要由温度传感器 信号调理电路 STC 单片机计算转换模块 温度 显示模块组成 其中信号调理电路由信号滤波电路和信号放大电路组成 图 1 为基于 STC 单片机的温度测量系统的结构图 温度传感器滤波电路 放大电路STC单片机 电源 时钟及复位电路 温度显示模块 图 1 基于 STC 单片机的温度测量系统的结构图 STC 单片机作为本系统的核心 采集经滤波电路和放大电路进行滤波和放大处理后的 PT1000 温度传感器阻值信号 并由其片内 10 位 A D 转换模块对阻值信号进行模数转换 一定的算法把阻值信号计算为温度 并控制液晶显示模块直观的显示出温度数值 电源 时钟及复位电路是 STC 单片机正常工作的必要条件 2 系统硬件设计 本温度测量系统的硬件设计主要包括温度传感器 信号调理电路 STC 单片机计算转换 模块 温度显示模块组成 2 1 温度传感器 本系统采用铂热电阻作为温度传感器 由于铂热电阻 的阻值具有随着温度的变化而 改变的特性 所以可以通过间接测量 铂热电阻阻值的方法来间接测量温度 另外铂热电 阻具有输出电势大 线性度好 灵敏度高 互换性好等优点 适合作为本系统的温度传感器 铂热电阻在 0 850 范围内其阻值与温度的变化关系为 2 1 2 0 1 t RRAtBt 式中 t 为温度值 R0 为 0 时铂热电阻的阻值 Rt 为 t 时铂热电阻的阻值 A B 为分度系数值 常用的铂热电阻型号有 Pt100 Pt500 Pt1000 对于 PT1000 铂热电阻温度传感器 R0 1000 A 3 908 10 3 1 B 5 802 10 7 2 不难看出 当温度发生变化时 Pt1000 的电阻值变化量最大 因此测量的灵敏度最高 另外 通过 Pt1000 铂热电阻的电流 较小时 它也能产生较大的压降 有利于降低系统的功耗 所以本系统采用 Pt1000 铂热电 阻作为温度传感器是比较合理的 2 2 信号调理电路 为了使温度测量更加精确 Pt1000 铂热电阻温度传感器采集到的信号需经过信号调理 电路滤波放大处理后 再进入 STC 单片机进行片内 A D 转换并计算 如图 2 为 Pt1000 铂 热电阻温度信号调理电路 I1L I2L I1H I2H REF200 Pt1000R1 C1 Rk R2 Rn C2 C3 RG VIN VIN V RG V Vo REF INA122 VCC GND GND GND GND A D换换 图 2 Pt1000 铂热电阻温度信号调理电路 如图 2 REF200 为电路提供恒流源 它具有高精度 低温度系数和宽电压范围等优点 芯片内部集成两路 100uA 电流源和一路镜像电流源 恒流源 REF200 提供的两路 100uA 电 流 一路流经 Pt1000 铂热电阻 提取传感器信号 电压值为 U1 另一路流经阻值为 1000 的精密电阻 Rk 产生一个精确稳定的电压 U2 作为差分放大器的基准 INA122 为 差分放大器 对 U1 U2 的信号差分放大输出 它由两个低功耗高性能运放构成 可以由 单电压 2 2V 36V 供电 而静态电流仅为 60uA 有利于降低系统功耗 因为 流经 Pt1000 电流为 I 则 2 0 1 t RRAtBt 2 2 2 10 1 UIRAtBt 由于 2 3 2k UIR 则差分放大器的输出 2 4 2 0120 1 K UK UUKI RAtBtR 式中 K 为差分放大器的差分放大倍数 INA122 外接到电阻 RN可设置差分放大器的增益 2 5 5200 N KkR 经过信号调理电路处理后 Pt1000 温度信号得到了很好的过滤和放大 有利于进行 A D 模数转换 计算结果更加精确 2 3 STC 单片机计算转换模块 经 NIA122 差分放大后的电压输出信号就可以经过 A D 转换器完成模数转换 并将转 换结果送入 STC 单片机进行计算和处理 A D 模数转换器采用 STC 单片机系统片内自带 的 10 位 A D 转换器 ADC10 模数转换器具有 10 位转换精度 采样速度快 采样频率可达 300KHz 内置采 样保持电路 配置有 8 路外部通道 可做温度检测 电压检测 频谱检测等 使用方便 可灵活地运用以节省软件量和时间 使用 STC 单片机外部晶体时钟或内部 R C 振荡器产生的系统时钟为 ADC10 模数转换器 提供时钟 这样的好处是 在提高 ADC 的工作频率以及转换速度的同时 使 STC 单片机工 作在较低的频率 系统具有较低的功耗 输入的模拟电压值最终转换结果为 2 6 10 2 1024 inin ADC CCCC VV N VV 式中 NADC 为 ADC10 模数转换器转换结果 Vin 为模拟电压输入量 VCC 为单片机实际工作电压 经过 STC 单片机的 ADC10 模数转换后 Pt1000 温度传感器的温度信号就转变为 STC 单片机可以计算处理的数字信号 2 4 温度显示模块 温度显示模块采用 SMC1602A 液晶显示模块配合 STC 单片机来实现 SMC1602A 是标准字符点阵型液晶显示模块 采用点阵型液晶显示器 LCD 可显示 16 字符 2 行西 文字符 字符尺寸为 2 95 4 35 WXH mm 内置 HD44780 接口型液晶显示控制器 广 泛应用于各类仪器仪表及电子设备 SMC1602A 共有 16 个引脚 其中 D0 D7 是 8 位双向数据总线 它的方向由读写 控制引脚 R W 来决定 高电平为读 可以由 CPU 读写 低电平为写 可以写入 8 位数 据 E 为使能信号引脚 高电平有效 全部功能与引脚如表 1 所示 表 1 SMC1602A 引脚及功能介绍 3 系统软件设计 系统软件从功能上分为主程序和温度信号处理程序 3 1 系统主程序设计 主程序在完成系统初始化后 进入等待模式 当有温度信号处理中断时 程序跳出等 待模式 进入温度信号处理程序 在执行完此中断程序后 重新回到等待模式 系统主程序流程如图 3 所示 引脚名称引脚功能 VSS电源地 VDD电源正极 VOLCD 偏压输入 RS数据 命令选择端 H L R W读写控制信号 H L E使能信号 D0 D78 位数据线 BLA背光源正极 BLK背光源负极 系统初始化 开始 数据处理和计算 是否有信号处理中断 温度数据显示 结束 等待模式 是 否 图 3 主程序流程图 3 2 温度信号处理程序 3 2 1 温度信号处理主程序 当系统程序进入温度信号处理程序后 开启 ADC10 转换器进行模数转换 并对数据 进行处理及计算 为使温度数据更加精确 需进行多次采样和 A D 转换 并采用数字滤波 算法进行数字滤波 温度信号处理程序如图 4 所示 开始 启动A D转换 存转换结果 关闭ADC10 是否采样转换了N次 数据处理和计 算 结束 是 否 图 4 温度信号处理程序 3 2 2 温度信号数字滤波 本系统中所采集的温度信号是电压信号 属于模拟量输入 常常会有干扰信号的叠加 这样就会造成 AD 转换结果偏离真实值 造成较大的系统误差 因此如果只进行单次采样 和转换 是不可行的 必须多次采样和转换 对采样序列值经过数字滤波处理后才能得到 一个较为准确的转换结果 在本系统采用中值滤波的方法 有效的减小了随机干扰对采样 结果的影响 中值滤波方法的实现过程是对连续采样转换 N 次的温度信号按大小顺序排列 截去此 序列中的最大值和最小值后 对其它数值取平均值 作为有效的温度信号 这样就有效的 消除了随机信号的干扰 中值滤波的表达式 3 1 2 1 1 2 N i i XX N 式中 N 为采样序列数值的个数 Xi 是去掉序列中最大值和最小值之后的各采样值 这样经过中值滤波后 系统的测量值更加精确 3 2 3 温度计算 对于温度的计算一般采用查表法 即在 Pt1000 分度表中查找某一阻值下对应的温 度 这种方法虽简单可行 但由于分度值数据过多 会占用较大的存储空间 影响系统运 行速度 为此 本系统采用牛顿迭代法实现温度的计算 首先设方程 3 2 2 00 1 0 n f tUK IRAtBtIR 设 tn 是方程精确解附近的一个猜测解 过点 tn f tn 作函数 f t 的切线 切 线方程为 3 3 nnn yf tf ttt 令 y 0 解得 3 4 1 nnnn ttf tf t 为简化计算 迭代初始温度取 f t 的线性部分 3 5 00 0 0 1 n UKIRAtKIR tt AKIR 式中 A R0 已知 K 为差分放大器增益 在保证系统运行情况下 适当的采取多次迭代 能使计算精度更加精确 4 系统实验和分析 产生温度测量误差的原因主要有三个 1 Pt1000 温度传感器本身的测量分辨率造成的 2 Pt1000 温度传感器与被测量介质相触时会有热传导误差 3 A D 转换及计算处理会有一定的误差 系统的测量发法是 把本温度测量系统和标准温度计放置在可调节的恒温装置中 人 为改变恒温装置的温度 多次测量 并把测量温度与标准温度计结果相比较 计算测 量误差 测试结果如表 2 测量次数标准温度计示数 测量温度示数 测量误差 110 00 10 03 0 03 223 15 23 190 04 3 32 4832 50 0 02 4 54 82 54 79 0 03 5 67 31 67 330 02 6 70 23 70 270 04 7 90 82 90 79 0 03 表 2 温