基于LM3S101 處理器的溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

摘要： 為了提高溫度測(cè)量的精度，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，提出了以32 位ARM 處理器LM3S101 為核心，以熱敏電阻為溫度傳感器的溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方案。該測(cè)溫模塊通過(guò)采用RC 充放電方式實(shí)現(xiàn)熱敏電阻阻值的獲取，避免使用A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了硬件電路；數(shù)據(jù)處理通過(guò)對(duì)熱敏電阻測(cè)溫曲線的分段線性化及加窗平滑濾波的方式實(shí)現(xiàn)，減小了處理誤差，提高了測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)處理的精度和可靠性。所設(shè)計(jì)的測(cè)溫模塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)溫精度能夠達(dá)到0.2 ℃，工作穩(wěn)定，可應(yīng)用于各種需要溫度測(cè)量場(chǎng)合。

　　溫度信息是各類監(jiān)控系統(tǒng)中主要的被控參數(shù)之一，溫度采集與控制在各類測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，在溫度測(cè)量領(lǐng)域，ARM 處理器以其高性能、低成本得到了廣泛應(yīng)用。以Luminary 公司生產(chǎn)的32 位ARM 處理器LM3S101 為核心，以熱敏電阻為溫度傳感器，并通過(guò)引入RC充放電電路以及對(duì)熱敏電阻測(cè)溫曲線的分段線性化處理，實(shí)現(xiàn)了一種成本低、測(cè)溫精度高的溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方案。經(jīng)實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)方案在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)能夠達(dá)到較高測(cè)溫精度，且模塊通用性強(qiáng)、成本低且應(yīng)用廣泛。

　　1 測(cè)溫模塊硬件原理：

　　1.1 溫度信息的獲取：

　　實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)需要使用溫度傳感器。溫度傳感器種類很多，熱敏電阻器是其中應(yīng)用較多的一種，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、熱慣性小、體積小、阻值大及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)控領(lǐng)域。熱敏電阻應(yīng)用于溫度檢測(cè)，最核心的一個(gè)工作就是要比較精確地獲取熱敏電阻的阻值變化。常見(jiàn)的處理方式是通過(guò)外加電源，把熱敏電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后將數(shù)字量傳送給處理器進(jìn)行處理。這種方式硬件電路設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理相對(duì)麻煩，成本較高，并且所獲取的熱敏電阻阻值精度受電源穩(wěn)定性和A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)限制，一般比較低，對(duì)測(cè)溫精度造成較大影響。同時(shí)，由于熱敏電阻的非線性，為提高測(cè)溫精度通常還需要附加較復(fù)雜的補(bǔ)償電路。在設(shè)計(jì)中，為解決這一問(wèn)題， 將RC 充放電采樣方式引入到熱敏電阻的阻值測(cè)量中，將阻值轉(zhuǎn)換為電容的充放電時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，原理如圖1 所示。

　圖1 中，P1.0、P1.1 和P1.2 均是處理器的通用I/O 口，RF為精密參考電阻，RT為檢測(cè)溫度的熱敏電阻，RS為0.1 kΩ 普通電阻；C 為0.1 μF 普通電容。

　　實(shí)現(xiàn)熱敏電阻阻值獲取的步驟及原理如下：1）先將端口P1.0、P1.1、P1.2 都設(shè)為低電平輸出，使電容C 完全放電。2）將P1.1、P1.2 設(shè)置為輸入狀態(tài)，P1.0 設(shè)為高電平輸出， 通過(guò)電阻RF對(duì)C 充電，處理器內(nèi)部計(jì)時(shí)器清零并開(kāi)始計(jì)時(shí)，檢測(cè)P1.2口狀態(tài)，當(dāng)P1.2 口檢測(cè)為高電平時(shí)，即電容C 兩端的電壓達(dá)到處理器I/O 口高電平輸入的門嵌電壓時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)數(shù)，記錄下從開(kāi)始充電到P1.2 口檢測(cè)到高電平的時(shí)間T1。3）將P1.0、P1.1、P1.2 再次設(shè)為低電平輸出，使C 完全放電。4）再將P1.0、P1.2 設(shè)置為輸入狀態(tài)，P1.1 設(shè)為高電平輸出， 通過(guò)熱敏電阻RT對(duì)C 充電，再進(jìn)行步驟2）相同的過(guò)程，記錄下時(shí)間T2。

　　熱敏電阻的阻值由T1和T2確定。RC 充放電電路中，電容C 兩端的電壓確定為：

　　由上述過(guò)程可得：

　　簡(jiǎn)化式（2）即可得到熱敏電阻的阻值：

　　由式（3）計(jì)算出熱敏電阻阻值后，通過(guò)熱敏電阻測(cè)溫曲線，即可把阻值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值，實(shí)現(xiàn)溫度信息的獲取。