一种数字温度计的设计和校准

孙宏健，李文军，高 猛，李佳琪，郑永军

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

一种数字温度计的设计和校准

孙宏健，李文军，高 猛，李佳琪，郑永军

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

设计了一种数字温度计，由单片机STC89C52、温度传感器DS18B20、四位一体共阳极数码管、按键、报警模块、升(降)温模块及电源模块组成.提出了由单片机与温度传感器组成的硬件设计方案，软件系统包括主函数、LED驱动子程序、温度设置子程序、报警处理子程序以及DS18B20温度采集子程序等部分.利用恒温槽和二等标准铂电阻温度计对数字温度计做了静态校准.最后评定了温度示值校准结果的不确定度.

保温箱；温度测量；数字温度计；温度示值校准；不确定度评定

温度测量直接影响着产品的质量好坏甚至实验的成功与否[1].以保温箱为例，保温箱温度的设定和箱体温度的反馈关系着箱内物品的安全使用.传统的氟利昂和化学试剂制冷加热不但不能较精确地将保温箱保持恒定温度，它的泄露更对人们生存环境带来潜在的污染威胁[2].此外，保温箱控温点及控温范围的精确设定亦关系着其内物体正常与否.为解决这些问题，在具体设计新式数字电路的过程中，基于单片机的新式设计方式具备了独特的优势[3].利用接触式测温直观、DS18B20传感器响应快且精度高的特点，本文在保温箱中加入了接触式数字温度计指示温度.

1 工作原理

1.1 接触测温原理

接触式测温法是工业和商用常用的测温方法.按照热力学第零定律，接触测温是将测温元件直接与被测对象接触，两者之间充分进行热交换以达到热平衡，此时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值.电量式测温法是接触式测温法的一种.它主要利用测温材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量.以DS18B20智能温度传感器为例，它采用数字化技术和单线接口方式，将感温元件和有关的电子线路集成到一块芯片上，通过门开通期间内低温系数晶振经历的时钟周期个数计数来测量温度.

1.2 温度计校准

温度计测温的准确度和精度需要借助更高等级的温度计做校准.在实际工作中，因为缺少数字温度计的国家计量检定规程或校准规范，各计量检定部门对数字温度计的校准和校准结果的处理方法也不尽相同[4].我们采用恒温槽-数字温度计-标准铂电阻温度计比较校准方法[5-6].因DS18B20在-10～85 ℃的精度为0.5 ℃，可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5 ℃,0.25 ℃,0.125 ℃,0.062 5 ℃，借助二等铂电阻温度计对所设计的数字温度计进行校准[7].

2 数字温度计的设计

设计的数字温度计主要由MCU处理器STC89C52、数字温度传感器DS18B20、四位一体共阳极数码管、按键、报警模块、升(降)温模块及电源模块组成[8]，如图1.其中，按键的功能为设置上下限报警温度.

图1 装置组成示意图Figure 1 Overall block diagram of the device

2.1 硬件设计

2.1.1 硬件处理模块

选用的STC89C52RC单片机为深圳宏晶推出的低功耗/高速/超强抗干扰的单片机，工作电压3.3～5.5 V.掉电模式下典型功耗小于0.1 mA，空闲模式下典型功耗小于2 mA，正常工作模式下典型功耗为4～7 mA.工作温度范围-40～85 ℃(工业级)/0～75 ℃(商业级)，适用于电池供电系统及便携设备，价格经济.

2.1.2温度传感器模块

选用的DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的数字温度传感器.它采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口,可直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出[9].该传感器的测温范围为-55～125 ℃，工作电压为3.0～5.5 V.DS18B20由三个主要的数据部件组成，分别为64位激光ROM、温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH和TL，其内部框图如图2.

图2 DS18B20内部框图Figure 2 Internal block diagram of DS18B20

DS18B20通过门开通期间低温系数晶振经历的时钟周期个数来测量温度，而门开通期由高温系数晶振决定.低温系数晶振与高温系数晶振相比振荡频率受温度影响较小，两者产生的脉冲信号分别作为计数器1和计数器2的脉冲输入.计数器和温度寄存器预置于-55 ℃时的基数.当低温系数晶振的脉冲信号传入计数器1，计数器1的值进行减法计数；当计数器预置基数为0，温度寄存器的值加1，计数器1的预置将重新装入，计数器1重新开始对低温系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数为0，此时温度寄存器中的数值即为所测温度[10].斜率累加器用来补偿和修正晶振测温过程中的非线性.具体温度测量电路如图3.

图3 温度测量电路图Figure 3 Diagram of temperature measurement circuit

温度读数以16位、符号扩展的二进制补码读数形式提供.数据在单线接口上串行发送.单片机通过串行通信方式从中读取数据.

2.2 软件设计

2.2.1 程序设计

装置程序分为主函数、LED驱动子程序、温度设置子程序、报警处理子程序以及DS18B20温度采集子程序等几个部分.主程序流程图如图4.

其中，按键程序主要由四部分组成，分别对应四个按键，它实现的主要功能如下：

图4 主程序流程图Figure 4 Flowchart of the main program

1) S1—报警扫描.若报警，LED灯亮且启动加热或降温装置，若无警报，直接读数；

2) S2—报警温度设置.按一下设置高温报警，按两下设置低温报警，按三下返回读数；

3) S3—温度值+1键；

4) S4—温度值-1键.

2.2.2 温度采集子程序算法

DS18B20的高速暂存器RAM由9个字节的存储器组成，其中第0～1字节是温度显示位.温度数据在高速存储器RAM的第0和第1字节的存储格式如表1.

表1 温度数据存储格式Table 1 Format of temperature data storage

DS18B20在出厂时默认为12位，其中最高位为符号位，即温度值共11位.单片机在读取数据时，一次会读2字节共16位，读完后将低11位的二进制数转化为十进制后再乘以0.062 5便为所测得实际温度值[11].另外，还需要判断温度的正负.前5个数字为符号位，这5位同时变化，只需要判断11位就可以.前5位为1时，读取的温度值为负值，且测得的数值需要取反加1再乘以0.062 5才可得到实际温度值.前5位为0时，读取的温度为正值，且温度为正值时，只要将测得的数值乘以0.062 5即可得到实际温度值.

3 数字温度计数值校准

使用的恒温槽是由中国计量学院和湖州唯立仪表厂联合研制的HT-2-3型标准恒温槽，用来校准温度计的铂电阻为二等标准铂电阻温度计[12].实验时首先设定恒温槽温度，待示数稳定后分别用标准铂电阻温度计和数字化温度计读取加热恒温槽用水温度.鉴于项目需要，设置了0～1 ℃的温度区间，每隔0.1 ℃读取一个温度点，分别三次升温和降温各读取10次数值取平均值以消除测温过程中的随机误差.具体的升温和降温过程中实验数据变化，如图5和图6.

图5 升温过程温度测量图Figure 5 Figure of temperature measurement in the process of heating up

图6 降温过程温度测量图Figure 6 Temperature measurement in the process of cooling

4 示值校准结果不确定度评定

4.1 数学模型

示值误差按公式(1)计算：

Δt=td-ts-x.

(1)

式(1)中：Δt，数字温度计各标准点的示值误差，℃；td,数字温度计各校准点正、反行程的示数平均值，℃；ts,二等标准铂电阻温度计测得的槽温温度值，℃;x，二等标准铂电阻温度计在该温度点的示值修值，℃.

4.2 标准不确定度评定

4.2.1 输入量td的标准不确定度评定

输入量td的标准不确定度来源于以下方面：

1) 被检温度计示值重复性引入的标准不确定度u(td1)，用A类标准不确定度评定；

2) 被检温度计读数分辨力引入的标准不确定度u(td2)，用B类标准不确定度评定.

对于u(td1)：将数字温度计与二等标准铂电阻温度计置于设定温度为0 ℃的恒温槽中，待数值稳定后，分别进行10次等精度测量，读取的数字温度计数值如下.

表2 数字温度计在0 ℃的示值Table 1 Value of the digital thermometer at 0 ℃

结合实际，取2次测量值的平均值作为测量结果，则算术平均值的标准差为

(2)

自由度:v(td1)=9.

对于u(td2):被检数字温度计在0～1 ℃内其分辨力为0.01 ℃，则不确定度半宽为0.005 ℃，x服从均匀分布，其标准不确定度为

(3)

估计其不可靠性为10%，自由度v(td2)=50.

因u(td1)、u(td2)相互独立，则可得输入量td的标准不确定度

(4)

4.2.2 输入量ts的标准不确定度评定

输入量ts的标准不确定度来源于以下方面：二等标准铂电阻温度计的读数分辨力引入的标准不确定度u(ts1),用B类标准不确定度评定[13];恒温槽温场不均匀引入的标准不确定度u(ts2)，用B类标准不确定度评定；恒温槽温度波动引入的标准不确定度u(ts3)，用B类标准不确定度评定.

对于u(ts1)：二等标准铂电阻温度计在0～1 ℃的读数分辨力为0.01 ℃，不确定度区间半宽为0.01 ℃，按均匀分布处理，其标准不确定度为

(5)

估计其不可靠性为20%[14]，自由度v(ts1)=12.

对于u(ts2)：恒温槽温场最大温差为0.01 ℃，则同一温度点温场介于±0.01 ℃之间，按均匀分布处理，其标准不确定度为

(6)

估计不可靠性为10%，自由度v(ts2)=50.

对于u(ts3)：恒温槽温度波动度为±0.01 ℃/30 min，则不确定度区间半宽为0.01 ℃，按均匀分布处理，其标准不确定度为

(7)

估计不可靠性为10%，自由度v(ts3)=50.

因u(ts1)、u(ts2)、u(ts3)相互独立，则可得输入量ts的标准不确定度

(8)

自由度

(9)

4.2.3 输入量X的标准不确定度评定

由修正值引入的标准不确定度u(x)，用B类标准不确定度评定.

由二等标准铂电阻检定规程可知，二等标准铂电阻温度计在水三相点处检定周期内不稳定性为0.01 K，属于正态分布[15].则由此引入的标准不确定度

(10)

包含因子kp=3,估计其不可靠性为10%，自由度v(x)=50.

4.3 合成标准不确定度与有效自由度

因以上各项标准不确定度相互独立，所以合成标准不确定度为

(11)

其有效自由度公式如下

(12)

4.4 扩展不确定度

扩展不确定度由合成不确定度uc乘以包含因子k得到，记为U,如式(13)所示

U=kuc.

(12)

设置信概率P为95%，则按照有效自由度v查t分布表得k95=2.14.

则U95=k95uc=0.08.

5 结 语

利用温度传感器DS18B20设计并制造了一种接触式数字温度计.用恒温槽和二等标准铂电阻温度计对该数字温度计做了校准，分析了测温过程中产生的误差及产生的原因，确定了最大示值误差和回程误差.结果表明该温度计可用于保温箱的温度测量.

[1] 廖理.热学计量[M].第二版.北京：原子能出版社，2002：3-7.

[2] 程勇.半导体热电制冷片在汽车保温箱控制系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2011(5):85-90. CHENG Yong. Application of the semiconductor thermoelectric refrigeration piece in car insulation chests control system[J]. Industrial Instrumentation &Automation,2011(5):85-90.

[3] 王林胜.基于单片机控制的数字温度计的电路设计[J].通讯世界，2016(21):223-224. WANG Linsheng. Circuit design of digital thermometer based on single chip microcomputer control[J]. Telecom World,2016(21):223-224.

[4] 夏海雷.数字温度计校准方法及校准结果处理研究[J].工业计量，2013(Sup1):83-84. XIA Hailei. Calibration method and calibration results’ processing of digital thermometer[J]. Industrial Measurement,2013(Sup1):83-84.

[5] 王孔祥.数字温度计校准方法及不确定度评定[J].计量与测试技术，2007,34(5):38-41. WANG Kongxiang, Calibration of digital themrmometers and evaluation of uncertainty[J]. Metrology &Measurement Technique,2007,34(5):38-41.

[6] 李振杰.数字式温度计校准方法探讨[J].中国计量，2011(9):96-98. LI Zhenjie. Calibration method of digital thermometer[J]. China Metrology,2011(9):96-98.

[7] 邓艳琴.二等标准铂电阻温度计校准结果不确定度评定[J].江苏电机工程，2010,29(5):44-49. DENG Yanqin, Uncertainty evaluation of calibration result for second grade standard platinum resistance thermometer[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2010,29(5):44-49.

[8] 魏娟.单片机实现数字温度计设计思路[J].硅谷,2014(13):22-23. WEI Juan. The design of digital thermometer based on single chip microcomputer[J]. Silicon Vallry,2014(13):22-23.

[9] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].第7版.北京：电子工业出版社，2013:342-354.

[10] 邓莹.基于无线传感器网络的智能大厦安防系统研究[D].武汉:武汉理工大学，2008. DENG Ying. Research on safeguard of intelligent building based on wireless sensor network[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology,2008.

[11] 张萍.基于数字温度计DS18B20的温度测量仪的开发[J].自动化仪表，2007,28(6):64-66. ZHANG Ping, Development of measuring instrument based on digital thermometer DS18B20[J]. Process Automation Instrumentation,2007,28(6):64-66.

[12] 曹善林,李海燕.接触式数字温度计校准方法探讨[J].中国计量,2014(6):104. CAO Shanlin, LI Haiyan. Discussion on calibration method of contact digital thermometer[J]. China Metrology,2014 (6):104.

[13] 刘智敏，刘风.不确定度的B类评定方法[J].中国计量学院学报,1995(2):51-57. LIU Zhimin, LIU Feng. Evaluation method for uncertainty of B type[J]. Journal of China University of Metrology,1995(2):51-57.

[14] 沈正宇.温度测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2006：14-21.

[15] 郭沈辉,戚晓红,王林虎.恒温槽的校准及不确定度评定[J].中国测试技术,2007,33(6):86-89. GUO Shenhui, QI Xiaohong, WANG Linhu. Measurement of thermostatic bath and evaluation of uncertainty[J]. China Measurement Technology,2007,33(6):86-89.

Design and calibration of a digital thermometer

SUN Hongjian, LI Wenjun, GAO Meng, LI Jiaqi, ZHENG Yongjun

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

We designed a digital thermometer which consisted of an MCU STC89C52, a temperature sensor DS18B20, a four-in-one common-anode LED digital display, buttons, an alarm module, a warm (cool) module and a power supply. The hardware design scheme included MCU and temperature sensors. The software design scheme included the main program design, the temperature collection subroutine, and the implement-ation process of the main function module. The digital thermometer was static calibrated with a thermostatic bath and a standard platinum resistance thermometer (Grade Ⅱ). Finally, the results of temperature uncertainty were assessed.

incubator; temperature measurement; digital thermometer; temperature calibration; uncertainty assessment

2096-2835(2016)04-0400-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.008

2016-09-14 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

TP216

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