多路温度测量仪的设计与实现

王彪

(南京邮电大学，江苏南京，210003)

0 引言

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。

温度是工农业和消费类电子产品的生产应用中常见的和最基本的参数之一，而热敏电阻则是监控这种物理条件的主要手段之一。热敏电阻测温的灵敏度很高，但热敏电阻存在严重的热非线性，所以，在使用过程中，必须在数字或模拟范围中线性化热敏电阻输出以获得精确测量，也必须为热敏电阻本身自热效应选择合适的激励源和补偿器件过热导致电阻变化所引起的误差。

在本文中主要讲述了，基于Atmega8 单片机和NTC热敏电阻设计实现的一种廉价、高精度的多路温度测量方法，系统测量精度优于±0.5℃，最多可实现同时对4路温度进行测量，并具有保存各路温度测试最大值等功能。

1 NTC热敏电阻

1.1 热敏电阻温度—电阻特性

NTC热敏电阻温度——电阻特性曲线可近似表示为：

R: 温度T(K)时的电阻值；R0: 温度T0(K)时的电阻值，一般常取T0为20℃[3]； B:热敏电阻的B值。由式（1）可得：热敏电阻温度——电阻特性呈指数关系变化。

实际上，热敏电阻的B值也并非一恒定值，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/℃。因此，在较大的温度测量范围内应用固定B值代入式（1）求解时，所得结果将与实际温度之间存在一定误差。在应用过程中，B值可近似为：

其中，BT：温度在T(K)时的B值，C、D、E为常数，另外，因生产条件不同造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D 不变。因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。在求取B值时，只需取温度——电阻特性曲线上3个数据点代入式（2），则可计算出对应的C、D、E值。再把式（2）代入式（1）则可精确求出各温度点T所对应的热敏电阻阻值R。

1.2 热敏电阻温度——电阻特性曲线线性化

从式（1）中我们可以知道，热敏电阻在全量程范围内温度——电阻特性曲线具有很大的非线性。所以，在使用过程中，必须对热敏电阻进行在数字或模拟范围内线性化热敏电阻输出量以获得精确测量，文献[1-6]提出了多种热敏电阻特性曲线进行线性化的常用方法。在对热敏电阻特性曲线进行线性化的常用方法中主要有：串并联电阻方法[5]、方波振荡器方法[6]和Steinhart-Hart三阶方程拟合方法。

串并联电阻、方波振荡器方法使用了模拟电路方法实现对热敏电阻的温度——电阻特性曲线进行线性化，具有设计电路简单易行等特点，但一般使用在精度要求不是很高的场合。而在使用Steinhart-Hart三阶方程进行对热敏电阻特性曲线进行逼近时，具有计算方便、拟合误差小等特点。所以，在本系统设计中，使用 Steinhart-Hart三阶方程[7-8]方法对热敏电阻温度-电阻特性曲线进行拟合。

NTC热敏电阻特性曲线用Steinhart-Hart三阶方程进行拟合：

其中，T：温度（k），R：热敏电阻阻值（Ω），A、B、C：曲线拟合常数。

在使用Steinhart-Hart方程进行拟合时，只要选取热敏电阻温度-电阻特性曲线中3个数据点代入式（3），则可求解出拟合方程中参数A、B、C。当所选数据点间距不超过热敏电阻温度范围标定中点100 ℃时，方程拟合误差<±0.02℃。

2 系统设计

数字测温系统中主要涉及到以下几个模块：温度传感器模块、信号调理模块、数据采集器模块、微控制器、按键显示模块。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1 硬件部分

2.1.1 测量网络设计

NTC热敏电阻具有负温度系数大，灵敏度约为金属热电阻的10倍，标称电阻值比较大（几kΩ～几百kΩ）等特点。在本设计中，NTC热敏电阻阻值测量网络采用热敏电阻与固定电阻进行直接分压方式实现。在系统量程（-25℃~100℃）范围内，热敏电阻的变化范围为86.56kΩ~0.975kΩ，电阻测量跨度比较大，因此，在系统设计中，测量网络采用分档测量方法实现对热敏电阻阻值的测量，即在不同温度段采用不同的分压电阻。测量网络中，设Rt为热敏电阻， Rx为分压电阻。A/D采样器直接采用Atmega8自带的10bit ADC，同时，A/D采样器与测量网络选用同一电压基准VREF。

考虑到系统要求温度测量（-25℃～100℃）范围内，测量精度优于±0.5℃。在此，测量网络采用分两档实现，即10k档和4k档。在100℃时，测量精度最小：0.1/0.3808=0.2626℃<0.5℃。具体电路如图2所示。

图2 热敏电阻阻值测量原理图

档位控制由MOS管2N7002实现，其具有开关频率高，导通电阻小，截止电阻大等特点。在系统设计中取R10=10 kΩ,R4=R8=3.32 kΩ（分压电阻均采用1%精度的电阻）。电路具体实现过程如下：

（1）当测量温度较低时（< 40℃）,控制端口CONTROL_2 输出 低电平，即MOS管2N7002处于截止状态，分压电阻Rx=R10=10 kΩ,即有：

（2）当测量温度较高时（>35℃）,控制端口CONTROL_2 输出高电平，即MOS管2N7002处于导通状态，又由于2N7002在导通过程中，导通电阻Ron<5Ω相对于R4+R8=6.64 kΩ来说可忽略,那么，分压电阻Rx=R10||(R4+R8)≈4 kΩ，即有：

系统设计中，A/D采样器直接采用Atmega8内部的10bit ADC，并A/D采样器与测量网络选用同一参考电压VREF。在此，假设ADC采样值为N，则有：

把式（6）代入式（4）或式（5）并联立式（3）则可求出被测系统的温度。

图3 外部基准电压原理图

2.1.2 外部参考电压设计

SC431是一精密可调电压基准，稳压值可从2.5~36V连续可调，低动态电阻典型值0.25Ω，驱动电流1.0~100mA，全温度范围内温度特性平坦，电压稳定度优于50ppm。稳压电路如图3所示。输出电压VREF有：

又由温度测量网络（图2）中可以得到，分压电阻Rx的取值分别为10 kΩ、4 kΩ，则可保证热敏电阻在测温全过程中自身热功率≤1.1 mW。又热敏电阻测温过程中通常是放置在流动空气、液体或固体中，即热敏电阻的散热条件比较好，则可忽略热敏电阻热效应。

2.2 软件部分

Atmega8是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。在系统设计中，数据采集器直接选用其内部自带的10bit ADC,ADC参考电压选用外部电压基准。外部中断0接通道切换显示功能键，外部中断1接温度最大值清除功能键。本设计的软件部分由C语言编写实现，开发环境为ICCV7 for AVR[9]。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

3 测试结果与分析

系统测温范围为-25℃～100℃。在对系统性能检测时，使用热电耦温度计（±0.1℃精度）与热敏电阻捆绑一起放入热开水中，再使其一起放入冰箱中进行冷却、冰冻。这样则可测出从-25℃～100℃间各点温度值。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

经分析，误差来源可能有如下几种：热敏电阻和分压电阻的阻值误差；A/D采样器的非线性误差；Steinhart-Hart方程拟合误差等。

从测量结果中可以看出，系统的测量精度还不是特别高，还可通过各种方法使系统性能得到改善，具体可有以下一些改进方法：测量网络采用更多的档位、选用更高精度的A/D采样器、选用其它测量精度更高的测量电路、选用其它性能更好的温度传感器。

4 总结

热敏电阻特别适合于对限制温度范围的测温应用。对于小的温度变化具有明显的电阻变化，使热敏电阻可用于高分辨率测量。把热敏电阻与高分辨率A/D变换器结合起来可构成高精度、高分辨率温度测量系统。

以测试结果来看，本多路温度测量仪的测量精度优于±0.5℃。不过系统还可以设计得更完美些，如：提高系统的测量精度和扩大系统测温范围；单片机把测量的数据传送到PC上，然后，使用各种数据处理方法进行数据处理等等。

[1] 赵军，谢作品，吴珂. NTC热敏电阻线性化新方法[J].电测与仪表，2006，43(1)：12-14.

[2] 李波，陈光华. 基于热敏电阻的多通道高精度温度测量系统[J]. 仪表技术与传感器，2008(5)：87-88.

[3] 周以琳，李金亮，杨勇，郭焕然. NTC 热敏电阻R-T特性的高精度补偿[J]. 青岛科技大学学报:自然科学版，2010，31(1)：80-82.

[4] 招惠玲，秦淑娟. 热敏电阻温度特性曲线的线性化[J].传感器技术，2003，22 (7)：47-49.

[5] 孟凡文. NTC热敏电阻的非线性误差及其补偿[J].传感器世界，2003，9(5)：21-24.

[6] 俞阿龙，李正. 热敏电阻温度传感器的一种线性化设计[J]. 电气自动化，2003，25(2)：58-59.

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Steinhart-Hart_equation

[8] Analog Devices公司. 热敏电阻结合高分辨∑△A/D变换器测量温度[J]. 电子产品世界,2006(08).

[9] 沈文，Eagle Lee，詹卫前. AVR单片机C语言开发入门指导[M]. 北京：清华大学出版社，2003.