熱敏電阻的高電阻應(yīng)用于單片機進行頻率法的溫度測量

0．引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，許多情況下需要溫度測量，用來測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。熱敏電阻靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、電阻值大等特點,已廣泛于溫度測量和控制領(lǐng)域。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時電阻的變化)最高，在溫室大棚內(nèi)，溫度測量精度一般在±0.5—1?C左右，在這種情況下，,熱敏電阻的引線長度在100—200米，對測量造成的誤差可以忽略不計，使測量系統(tǒng)的電路簡單、使用方便。

1．熱敏電阻的測量電路

在多點溫度測量系統(tǒng)中，熱敏電阻采用溫度-頻率法測量框圖，如圖1所示。

圖1溫度—頻率測量原理

圖1中，IC1是555時基集成電路，是一個典型的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,IC2是AT89C52單片機。R3是555電路輸出的電平上拉電阻，使輸出的高電平穩(wěn)定在5V，C2為抗干擾濾波電容，Rt為熱敏電阻，f是頻率信號輸出。

其中 f=1.442695041/（C1*（R1+2*Rt ））

從上式可以看出，當C1、R1為固定值時，555時基電路的輸出頻率f僅僅與Rt有關(guān),而熱敏電阻的阻值Rt與測量的溫度有關(guān)。因此，需要測量的溫度由Rt熱敏電阻轉(zhuǎn)換成電阻值，通過555時基電路轉(zhuǎn)換成頻率信號，單片機通過P3。5（T1口）對頻率進行測量，就可以計算出測量的溫度值。

多路控制開關(guān)的組成與工作原理如圖2所示。

圖2 多路開關(guān)控制原理

在圖2中，IC2 為單片機，IC3、IC4為74LS138集成電路組成，J01--J16為繼電器。單片機的P1.0 – P1.2作為二個74LS138的地址，P1.3、P1.4作為二個74LS138的片選信號,單片機改變P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4的值，就可以控制繼電器，使熱敏電阻依次接入，進行溫度信號的測量。采用繼電器控制，減少了熱敏電阻接入路的接觸電阻，可以提高測量的精度。顯示設(shè)備為5位LED數(shù)碼管，2位用于顯示溫度信號的通道號，3位用于顯示溫度值，其中，2位整數(shù)，1位小數(shù)。

2．單片機的應(yīng)用

單片機為AT89C52，片內(nèi)有256B RAM和8KB的Flash ROM，可以反復(fù)多次改寫程序，十分方便。單片機的定時器/計數(shù)器T1工作在方式1，作為16位的外部脈沖計數(shù)器，記錄555電路輸入的脈沖數(shù)。單片機的定時器/計數(shù)器T0也工作在方式1，作為16位定時器用，記錄單片機CPU的時鐘脈沖。在編寫程序時，使T0的定時時間為0.1秒，通過T1在0.1秒內(nèi)測量到的脈沖數(shù)，就可以計算出頻率值，從而知道被測量的溫度值。參考程序如下：（CPU振蕩頻率為12MHz）

MOV TMOD，#15H ；設(shè)置 T0為16位計數(shù)方式，T1為16位定時方式

MOV TH0，#00H ；T0計數(shù)器清零

MOV TL0，#00H ；

MOV 30H，#14AH ；循環(huán)20次，使定時時間為0.1秒

SETB TR0 ；啟動T0計數(shù)器開始計數(shù)

Y1：MOV TH1，#3CH ；T1定時器設(shè)置初值

MOV TL1，#ACH ；

SETB TR1 ；啟動T1定時器開始計時

Y2：JBCTF1，Y3 ；判別T1定時器計時50mS到否，到則轉(zhuǎn)Y3

AJMP Y2 ；50mS未到，則繼續(xù)

Y3：DJNZ 30H，Y1 ；判別定時0.1秒到否，未到則繼續(xù)

CLR TR0 ；定時0.1秒到，清T0、T1溢出標志

CLR TR1 ；

MOV 7BH，TH0 ；將測量的頻率值存放在7AH、7BH內(nèi)存中

MOV 7AH，TL0

在單片機進行頻率采樣的時候，首先通過多路控制開關(guān)輸出某溫度測量信號的地址值，然后進行溫度的測量。

3．測量信號的處理

3．1熱敏電阻的線性化處理

熱敏電阻的電阻值與溫度存在嚴重的非線性關(guān)系，當頻率信號進入單片機CPU后，就可以應(yīng)用軟件的方法，例如最小二乘法，實現(xiàn)對熱敏電阻的非線性校正。實踐證明，使用這種方法，在-20～80℃的范圍內(nèi)，其測量誤差可小于0.2℃。

3．2數(shù)據(jù)的濾波處理

在單片機測量到溫度信號以后，還需要對檢測信號的濾波處理，減少測量過程中的干擾，最簡單的方法是算術(shù)平均法。對N個采樣值，尋找一個Y值作為本次檢測的有效值，使Y值與各采樣值之間的偏差的平方和為最小，在具體應(yīng)用中，N值不宜太大，溫度測量取N=5-10為好，既保持一定的靈敏度，又有恰當?shù)钠交取Ｓ嬎惴椒椋?/p>

Y=(X1+X2+….+XN)/N，式中X1、、、、X2、、….XN為N次檢測量

實踐證明用這種方法能正確測量溫度值。在獲得正確的測量值后，還需要將它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實際溫度值。

4．提高測量精度的幾個措施

4．1 頻率信號的穩(wěn)定性

在圖1中，R1、C1的熱穩(wěn)定性直接影響555時基集成電路的輸出頻率，要選擇溫度系數(shù)小的金屬膜精密電阻，C1采用CBB22的電容。R1、C1、555時基集成電路要經(jīng)過高、低溫老化穩(wěn)定后使用。每一路用精密電阻箱模擬熱敏電阻的溫度變化，測量實際的電阻-頻率的數(shù)據(jù)輸入單片機，作為測量、計算的依據(jù)。

4．2 多路信號的輸入

為了克服由于555時基集成電路性能的離散性造成輸出頻率的誤差，多路熱敏電阻使用同一個R1、C1、555時基集成電路。各個熱敏電阻通過單片機控制繼電器來選擇信號的輸入。

4．3熱敏電阻形狀的影響

熱敏電阻的體積非常小，因此可以制造成各種形狀，有柱狀、珠狀、針狀、平面等，以適合不同的測量要求。應(yīng)該選擇合適形狀的熱敏電阻，使測量值能夠準確地反映被測量的溫度值。對那些需要快速測量的場合，應(yīng)該盡量選擇體積小反應(yīng)快的傳感器，否則也會造成測量上的誤差。

4．4傳感器一致性的影響

傳感器的一致性差，會引起很大的測量誤差。熱敏電阻在作為精密的溫度傳感器使用，應(yīng)該選擇產(chǎn)品的互換性在0.1%以上，它的互換精度能夠達到0.025℃。

4．5溫度的標定

在一定溫度下熱敏電阻的阻值是已知的，因此可以用電阻箱（例如旋轉(zhuǎn)式電阻箱ZX31）來模擬溫度的變化，使555電路的輸出頻率值符合要求。由于單片機的程序在計算方法和定時時間上會產(chǎn)生一些誤差，用最小二乘法求得的模擬公式也會產(chǎn)生誤差，這些都會直接影響測量的精度。所以在驗證測量電路準確無誤的情況下，再檢查驗證單片機能否計算出準確的溫度值，如果有誤差，必須仔細檢查程序，修改相關(guān)的語句，直到準確為止。

在完成上述工作的基礎(chǔ)上，用精密恒溫槽，在-20-+80℃的范圍內(nèi)，設(shè)置5、6個溫度點，檢查熱敏電阻在這些溫度點的電阻值是否符合要求，然后把熱敏電阻的引線接到電路里，把熱敏電阻放在精密恒溫槽內(nèi)，觀察在各個溫度點上單片機的顯示值是否符合要求。如果符合要求，標定工作結(jié)束。

5．結(jié)束語

在多點溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計中，充分發(fā)揮了單片機的計算與線性化的作用，應(yīng)用555時基電路的電阻-頻率特性，以十分簡單的電路得到高精度的溫度測量效果。

本文作者的創(chuàng)新點：本測量系統(tǒng)的設(shè)計巧妙地將熱敏電阻的溫度-電阻變化應(yīng)用于555時基電路，使單片機的A/D轉(zhuǎn)換采用頻率采樣法，簡化了電路，又提高了測量的精度。由于熱敏電阻的靈敏度高，電阻值大，熱敏電阻可以直接使用普通導(dǎo)線，測量距離達200米左右，這是其他傳感器難以實現(xiàn)的；由于只用一個555時基電路，使集成電路的離散性影響降到最低，并且大大降低了硬件的成本。