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06-17
摘要：为了提高温度测量的精度并简化硬件电路设计，提出了一种以32位ARM处理器LM3S为核心、热敏电阻的温度测量模块设计。
作为温度传感器。
计划。
测温模块采用RC充放电方式获取热敏电阻阻值，避免了A/D转换器的使用，简化了硬件电路；数据处理是通过热敏电阻温度测量曲线的分段线性化和加窗来进行的。
平滑滤波的实现减少了处理误差，提高了测温数据处理的准确性和可靠性。
设计的测温模块经过实验测试，测温精度为0.2℃。
工作稳定，可用于各种需要温度测量的场合。
温度信息是各种监控系统中的主要受控参数之一。
温度采集与控制广泛应用于各种测控系统中。
随着处理器技术的发展，ARM处理器凭借其高性能和低成本，在温度测量领域得到了广泛的应用。
以Luminary公司生产的32位ARM处理器LM3S为核心，采用热敏电阻作为温度传感器，通过引入RC充放电电路以及热敏电阻测温曲线的分段线性化，设计了一种低成本的测温模块，测温精度高。
经过实际测量实验，该设计方案能够在整个测温范围内实现较高的测温精度，且该模块通用性强、成本低、适用范围广。
1 测温模块硬件原理： 1.1 温度信息的获取： 要实现温度检测，需要有温度传感器。
温度传感器的种类很多，其中应用最广泛的是热敏电阻。
它们具有灵敏度高、稳定性好、热惯性小、体积小、电阻大、价格低等特点。
它们广泛应用于温度测量和控制领域。
当热敏电阻用于温度检测时，核心任务之一是更准确地获取热敏电阻的阻值变化。
常见的处理方法是通过外部电源将热敏电阻的电阻变化转换为电压或电流变化，然后通过A/D转换器进行转换，然后将数字值传输到处理器进行处理。
这种硬件电路设计和数据处理的方法比较麻烦、成本高，并且获得的热敏电阻阻值的精度受到电源稳定性和A/D转换器位数的限制。
一般比较低，影响测温精度。
更大的影响。
同时，由于热敏电阻的非线性，通常需要更复杂的补偿电路来提高温度测量精度。
设计中，为了解决这一问题，在热敏电阻的电阻测量中引入RC充放电采样方法，将电阻值换算成电容的充放电时间进行检测。
原理如图1所示。
图1中，P1.0、P1.1、P1.2均为处理器的通用I/O口，RF为精密参考电阻，RT为检测温度的热敏电阻，RS为0.1kΩ普通电阻。
；C为0.1μF普通电容。
获取热敏电阻阻值的步骤和原理如下： 1）首先将端口P1.0、P1.1、P1.2设置为低电平输出，使电容C完全放电。
2）设置P1.1和P1.2为输入状态，设置P1.0为高电平输出，通过电阻RF对C充电，清零处理器内部定时器并开始计时，检测P1.2端口的状态。
当P1.2口检测到高电平，即电容C两端电压达到处理器I/O口高电平输入的栅极电压时，定时器停止计数，记录从开始充电开始的时间到P1.2口检测到高电平的时间为T1。
3）再次将P1.0、P1.1、P1.2设置为低电平输出，将C完全放电。
4）然后将P1.0、P1.2设置为输入状态，将P1.1设置为高电平输出，通过热敏电阻RT对C充电，然后执行与步骤2)相同的过程，并记录时间T2。
热敏电阻的阻值由T1和T2决定。
在RC充放电电路中，电容C两端的电压确定为： 由上述过程可得： 将式（2）化简，得到热敏电阻的阻值： 计算由式（3）得到热敏电阻阻值后，可以通过热敏电阻测温曲线将阻值转换为对应的温度值，实现温度信息的采集。
1.2 处理器选型： 处理器是整个测温模块的控制和数据处理的核心。
尤其是在本设计中，由于热敏电阻的阻值需要由处理器直接检测，其性能会对测温效果、精度、数据处理速度等产生很大影响，综合考虑处理器速度、性能和价格，选用ARM处理器LM3S。
LM3S是一款基于ARM CortexTM-M3内核的控制器。
该器件是一个32位处理器，采用Harvard架构和Thumb-2指令集。
主要特点[2]如下： 1）具有32位RISC性能； 2）具有2个内部存储器，集成8KB单周期Flash ROM和2KB单周期SRAM； 3）它具有两个32位通用定时器，每个定时器都可以配置为一个32位定时器或两个16位定时器。
位定时器，以及遵循 ARM FiRM 规范的看门狗定时器； 4）具有同步串行接口SSI和UART串行接口，信号传输功能强大； 5) 2~18个GPIO口，可编程灵活配置； 6) 时钟频率达到20 MHz。
此外，该处理器采用CortexTM-M3内核，支持单周期乘法运算，在处理测温数据时具有更高的数据处理速度和效率。
同时，该处理器成本低廉。
1.3 影响测温精度的主要因素： 由于热敏电阻阻值是通过RC充放电得到的，整个测温模块需要的外围元件很少。
获取热敏电阻阻值的准确性是影响模块测温精度的主要因素之一。
从获取热敏电阻阻值的原理可以看出，影响测温精度的主要因素有：1）参考电阻RF的精度； 2）热敏电阻RT的准确度； 3）处理器内部定时器的位数和精度。
处理器工作频率越高，定时器位数越大，处理精度越好。
电阻值采集的精度与处理器的输出电压值、阈值电压值、电容C精度、电阻RD精度无关。
因此，只要正确选择处理器和高精度RF、RT就可以使用。
热敏电阻阻值的测量存在微小误差。
为了保证测温精度，热敏电阻RT选用标称值为10 kΩ（或kΩ）、B值为3、精度为1%的热敏电阻。
参考电阻RF由金属制成，标称值为10 kΩ（或kΩ），精度为1%。
膜电阻。
1.4模块硬件电路设计： 以ARM处理器LM3S为核心，结合上述热敏电阻阻值采集原理，给出测温模块的核心电路原理图，如图2所示。
从图2可以看出，硬件设计是基于上述电容充放电热敏电阻值检测原理。
核心电路相对简单，避免了传统方式A/D器件的应用，实现了简化的硬件电路设计。
，达到降低硬件成本的目的。
同时，这种设计不会占用处理器过多的I/O端口，消耗处理器资源较少。
由于该方法在获取电阻值时要求处理器具有较高的计数精度，并且在将电阻值转换为温度值时需要较强的计算能力，因此选择LM3S进行核心处理，其时钟频率为20 MHz。
ARM Cortex-M内核中集成的频率和硬件乘法单元对此有很好的保证。
电路图中，对其他部分进行简单说明：SP是一个具有复位功能的低压差线性稳压器（LDO），将5V电源转换成处理器LM3S所需的3.3V，同时产生处理器需要复位才能运行。
信号。
电阻RF、RT、RS和电容C6组成RC充放电电路，用于检测热敏电阻阻值，并通过三个GPIO接口PA2、PA3和PA4连接到处理器。
LM3S的10、11脚利用其UART功能连接电平转换电路，通过串口实现模块的通信和温度数据发送功能。
2 数据处理及软件设计： 2.1 热敏电阻测温曲线的线性化： 热敏电阻的测温曲线反映了热敏电阻阻值与被测温度值之间的关系。
该关系由Steinhart-Hart方程确定： 式中，RT为热敏电阻在T1温度下的阻值； R为热敏电阻在常温T2（T2=25℃）下的标称阻值； B值是热敏电阻的材料常数； T1 和 T2 是开尔文温度。
从Steinhart-Hart公式可以看出，热敏电阻的电阻温度特性曲线是非线性指数曲线。
直接使用该方程计算量大且编程麻烦，并且需要线性化。
由于方程具有高度非线性，而电阻值到温度值的转换也是影响温度测量精度的主要原因之一，为了防止线性化过程造成较大的误差，线性化过程进行了如下特殊处理：处理： 1）如果用直线代替指数测温曲线，无论采用什么线性化方法，误差都会比较大。
为了解决这个问题，在整个测温范围内对曲线进行分段线性化，从而可以将误差控制在合理的范围内； 2）分段线性化时，温度测量曲线的分段采用非等距分段。
在曲线非线性较小的区域，使用 5°C 分段间隔。
在曲线非线性较大的区域，采用较小的1℃分割间隔，以减少处理误差； 3）在各测温曲线的线性化过程中，采用最小二乘法确定直线方程，以减少直线拟合的均方误差。
实际测量结果证明，上述线性化处理方法可以有效提高处理精度，大大降低线性化处理的误差，保证温度测量的精度要求，同时运算速度也能得到保证。
2.2 测温数据的过滤处理： 测温模块在工作过程中不可避免地会受到噪声的干扰。
为了减少测温过程中的噪声干扰信号，特别是突发噪声的影响，提高测温模块的工作稳定性，需要采用滤波算法对测温数据进行滤波。
这里采用简单的加窗平滑低通滤波方法，即连续测量N个值，取平均值作为测量的有效值，即： 在具体应用中，N越大，数据的平滑度越好。
但如果N太大，则会降低温度测量的速度和灵敏度。
经过实际测试，选择N=5~10较为合适，可以在计算速度和平滑滤波效果之间取得良好的平衡。
实际应用中，可根据具体测温要求进行合理设置。
2.3 测温模块软件设计： 基于上述数据处理思路，结合串行通信编程和必要的初始化处理工作，即可进行测温模块的软件设计。
完成一次温度测量并传输温度测量结果的主要流程如图3所示。
整个模块的软件设计和编程基于Crossworks1.7开发环境。
整个程序的核心部分分为4个函数进行设计，分别是： 1）主函数，完成系统参数配置、端口初始化和过滤处理等功能； 2）温度测量功能，完成热敏电阻阻值的采集并转换为实际温度值； 3）测温结果传输功能，通过串口完成测温结果的传输功能； 4）串口接收功能通过串口接收控制指令，完成测温间隔、串口通信速率、平滑滤波器窗口宽度、测温结果显示格式等工作参数的设置。
3测温效果分析 将设计的测温模块与精密恒温槽结合，对实际测温效果进行实验测试。
使用精密恒温槽在-10~℃温度测量范围内设置3个温度检测点，将热敏电阻放置在精密恒温槽中，使用本模块测量温度。
通过串口调试工具观察各温度点的温度测量值。
实验测试数据如表1所示。
表1所示的测量数据表明，所设计的测温模块测温稳定，在整个测量温度范围内测温精度基本可以达到0.2℃，优于传统的采用单片机结合/D器件的热敏电阻测温方式，也证明了测温曲线分段线性化的有效性。
4 结论 本文提出了一种简单、实用、性价比高、测温效果好的热敏电阻测温模块的设计。
设计的测温模块引入RC来获取热敏电阻阻值。
该充放电方式简化了硬件设计和模块成本； 32位ARM处理器LM3S[4-5]的选用以及数据处理中采用的分段线性处理方法有效保证了温度测量精度和数据处理速度。
通过测温实验以及在具体测温控制系统中的使用，测温模块在-10~80℃范围内具有良好的测温效果。
在具体的模块设计和应用过程中，还有其他因素会影响温度测量的准确性。
为了进一步提高该方案的测温精度，可以在以下方面进行进一步改进[6]： 1）电源的稳定性。
由于采用RC充放电方式来获取热敏电阻的阻值，因此系统电源的稳定性对充放电时间有显着影响。
在实际设计和应用中，要求低噪声、高稳定性。
供电有利于提高测量精度。
2）热敏电阻的形状。
热敏电阻非常小，可以制造成各种形状。
应根据具体使用场合选择合适形状的热敏电阻，以便测量值能准确反映被测温度。
3）传感器一致性。
传感器一致性差会造成较大的测量误差。
当热敏电阻用作精密温度传感器时，应选择互换性大于0.1%的产品。
4）计算精度。
测温数据的处理操作相对复杂。
编写加工程序时，应注意保持较高的计算精度，防止计算过程产生较大误差。
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