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?。?/p>

　　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。常見的處理方式是通過外加電源，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， 通過電阻RF對(duì)C 充電，處理器內(nèi)部計(jì)時(shí)器清零并開始計(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， 通過熱敏電阻RT對(duì)C 充電，再進(jìn)行步驟2）相同的過程，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。

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　　1.2 處理器的選型：

　　處理器是整個(gè)測(cè)溫模塊的控制及數(shù)據(jù)處理的核心。特別是在本設(shè)計(jì)中，由于熱敏電阻的阻值需要直接由處理器進(jìn)行檢測(cè)，其性能會(huì)對(duì)測(cè)溫效果、精度、數(shù)據(jù)處理速度等產(chǎn)生較大影響。綜合處理器速度、性能與價(jià)格的考慮，選用ARM 處理器LM3S101。LM3S101 是基于ARM CortexTM-M3 內(nèi)核的控制器，該器件是32 位處理器，采用哈佛架構(gòu)、Thumb-2 指令集，主要特點(diǎn)[2]如下：1）具有32 位RISC 性能；2）具有2 個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成了8 KB 單周期的Flash ROM，2 KB 單周期的SRAM；3）具有2 個(gè)32 位的通用定時(shí)器，其中每個(gè)都可配置為1 個(gè)32 位定時(shí)器或2 個(gè)16 位定時(shí)器，同時(shí)還有遵循ARM FiRM 規(guī)范的看門狗定時(shí)器；4）具有同步串行接口SSI，和UART 串行接口， 具有很強(qiáng)的信號(hào)傳輸功能；5）2~18 個(gè)GPIO 端口，可編程靈活配置；6）時(shí)鐘頻率達(dá)到20 MHz。

　　除此之外， 該款處理器由于采用CortexTM-M3 內(nèi)核，支持單周期乘法運(yùn)算，這在測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)有較高的數(shù)據(jù)處理速度與效率。同時(shí)，該處理器成本低。

　　1.3 影響測(cè)溫精度的主要因素：

　　由于采用RC 充放電的方式獲取熱敏電阻阻值， 因此整個(gè)測(cè)溫模塊所需外圍元件很少，熱敏電阻阻值獲取的精度是影響模塊測(cè)溫精度的主要因素之一。由熱敏電阻阻值獲取原理可以看出，影響測(cè)溫精度的主要因素有：1）參考電阻RF的精度；2）熱敏電阻RT的精度；3）處理器內(nèi)部定時(shí)器的位數(shù)與精度。處理器工作頻率越高，定時(shí)器位數(shù)越大，則處理精度越好。

　　阻值獲取的精度是與處理器的輸出電壓值、門限電壓值、電容C 的精度、電阻RD的精度無關(guān)的，因此只要合理選擇處理器和高精度的RF與RT， 就可以使熱敏電阻阻值的測(cè)量有較小的誤差。為保證測(cè)溫精度，熱敏電阻RT選用標(biāo)稱值為10 kΩ（或100 kΩ），B 值為3 950，1%精度熱敏電阻，參考電阻RF選用10 kΩ（或100 kΩ），1%精度的金屬膜電阻。

　　1.4 模塊硬件電路設(shè)計(jì)：

　　以ARM 處理器LM3S101 為核心， 結(jié)合上述熱敏電阻阻值獲取原理，給出該測(cè)溫模塊核心部分電路原理圖，如圖2 所示。

　　由圖2 可看出，按上述的電容充放電熱敏阻值檢測(cè)原理進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，核心部分電路較為簡(jiǎn)潔，避免了傳統(tǒng)方式中A/D 器件的應(yīng)用，達(dá)到了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，降低硬件成本的目的。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)又不過多占用處理器的I/O 端口，對(duì)處理器資源的占用也較少。由于這種方式在阻值獲取時(shí)需處理器具有較高的計(jì)數(shù)精度，而在阻值到溫度值轉(zhuǎn)換時(shí)需處理器具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力， 因此選用LM3S101 進(jìn)行核心處理，其20 MHz 的時(shí)鐘頻率及ARMCortex-M 內(nèi)核集成的硬件乘法單元對(duì)此有很好的保證。電路圖中，其他部分簡(jiǎn)要說明：SP6201是集復(fù)位功能于一體的低壓差線性穩(wěn)壓（LDO）器，將5 V 電源轉(zhuǎn)換為處理器LM3S101 所需的3.3 V， 同時(shí)產(chǎn)生處理器工作所需的復(fù)位信號(hào)。電阻RF、RT、RS和電容C6構(gòu)成RC 充放電電路，用以實(shí)現(xiàn)熱敏電阻阻值的檢測(cè)，與處理器通過PA2、PA3、PA4 3 個(gè)GPIO 接口相連。LM3S101 的10 和11 引腳使用其UART 功能，連接至電平轉(zhuǎn)換電路，以實(shí)現(xiàn)模塊通過串口的通信及溫度數(shù)據(jù)發(fā)送功能。[!--empirenews.page--]

　　2 數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計(jì)：

　　2.1 熱敏電阻測(cè)溫曲線的線性化處理：

　　熱敏電阻的測(cè)溫曲線反映了熱敏電阻阻值與被測(cè)溫度值之間的關(guān)系，由Steinhart-Hart 方程確定：

　　式中，RT是熱敏電阻在T1溫度下的電阻值；R 是熱敏電阻在常溫T2（T2=25 ℃）下的標(biāo)稱電阻值；B 值是熱敏電阻的材料常數(shù)；T1和T2為開爾文溫度。

　　由Steinhart-Hart 公式可知熱敏電阻的阻值溫度特性曲線是一條非線性的指數(shù)曲線，直接使用該方程運(yùn)算量大并且編程麻煩，需要進(jìn)行線性化處理。由于該方程非線性程度較大，同時(shí)阻值到溫度值的轉(zhuǎn)換也是影響測(cè)溫精度的主要原因之一，為使線性化處理不至于帶來較大的誤差，線性化過程進(jìn)行了以下特殊處理：

　　1）如果用一條直線代替該指數(shù)測(cè)溫曲線，則不管采用什么樣的線性化處理方法，誤差都比較大。為解決這一問題，在整個(gè)測(cè)溫范圍之內(nèi)對(duì)該曲線進(jìn)行了分段的線性化處理，使誤差能夠控制在合理的范圍內(nèi)；2）分段線性化時(shí)，對(duì)測(cè)溫曲線的分段采用非等間隔分段，在曲線非線性程度較小的區(qū)域內(nèi)采用5 ℃分段間隔，在曲線非線性較為嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)，采用較小的1 ℃分段間隔，以減小處理誤差；3）在每一段測(cè)溫曲線的線性化處理中，采用最小二乘法確定直線方程，以減小直線擬合的均方誤差。

　　實(shí)測(cè)結(jié)果證明，采用上述的線性化處理方法，可以有效提高處理精度，大大減小線性化處理的誤差，保證測(cè)溫的精度要求，同時(shí)運(yùn)算速度也能得到保證。

　　2.2 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的濾波處理：

　　測(cè)溫模塊工作過程中不可避免會(huì)受到噪聲干擾。為減少測(cè)溫過程中噪聲干擾信號(hào)，特別是突發(fā)噪聲的影響，提高測(cè)溫模塊的工作穩(wěn)定性，需要結(jié)合濾波算法對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。這里采用簡(jiǎn)單的加窗平滑低通濾波的方法，即連續(xù)測(cè)量N 個(gè)值，取平均后作為測(cè)量的有效值，即：

　　在具體的應(yīng)用中，N 越大對(duì)數(shù)據(jù)的平滑越好， 但N 過大會(huì)降低測(cè)溫的速度和靈敏度。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，選擇N=5~10 之間較為合適， 可在計(jì)算速度和平滑濾波效果之間取得較好平衡，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的測(cè)溫要求進(jìn)行合理設(shè)置。

　　2.3 測(cè)溫模塊的軟件設(shè)計(jì)：

　　以上述的數(shù)據(jù)處理思路為基礎(chǔ)，結(jié)合串口通信編程及必要的初始化處理工作，即可進(jìn)行測(cè)溫模塊的軟件設(shè)計(jì)。完成一次溫度測(cè)量及測(cè)溫結(jié)果傳輸?shù)闹髁鞒倘鐖D3 所示。

　　整個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)編程基于Crossworks1.7 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行，將整個(gè)程序的核心部分劃分為4 個(gè)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

　　1）主函數(shù)，完成系統(tǒng)參數(shù)配置、端口初始化及濾波處理等功能；2）測(cè)溫函數(shù)，完成熱敏電阻的阻值獲取，并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值；3）測(cè)溫結(jié)果傳輸函數(shù)，完成測(cè)溫結(jié)果通過串口的發(fā)送傳輸功能；4）串口接收函數(shù)，通過串口接收控制指令，完成測(cè)溫間隔時(shí)間、串口通信速率、平滑濾波加窗寬度、及測(cè)溫結(jié)果顯示格式等工作參數(shù)的設(shè)置。[!--empirenews.page--]

　　3 測(cè)溫效果分析

　　所設(shè)計(jì)的測(cè)溫模塊結(jié)合精密恒溫槽進(jìn)行了實(shí)際測(cè)溫效果的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。利用精密恒溫槽在-10~+80 ℃的測(cè)溫范圍內(nèi)，設(shè)置3 個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，把熱敏電阻放在精密恒溫槽內(nèi)，利用該模塊進(jìn)行溫度的測(cè)量。各個(gè)溫度點(diǎn)的溫度測(cè)量值通過串口調(diào)試工具進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

　　表1 所示的測(cè)量數(shù)據(jù)表明， 所設(shè)計(jì)的測(cè)溫模塊測(cè)溫穩(wěn)定，在整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)測(cè)溫精度基本上能夠達(dá)到0.2 ℃，優(yōu)于傳統(tǒng)熱敏電阻測(cè)溫采用單片機(jī)結(jié)合A/D 器件的方式，同時(shí)也證明了測(cè)溫曲線分段線性化處理的有效性。

　　4 結(jié)論

　　本文提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用、性價(jià)比高、測(cè)溫效果好的熱敏電阻溫度測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的測(cè)溫模塊由于對(duì)熱敏電阻阻值的獲取引入RC 充放電方式， 簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和模塊成本；而選用32 位ARM 處理器LM3S101[4-5]以及數(shù)據(jù)處理所采用的分段線性化處理方式則有效保證了測(cè)溫精度與數(shù)據(jù)處理的速度。通過測(cè)溫實(shí)驗(yàn)及在具體溫度測(cè)控系統(tǒng)中的使用，該測(cè)溫模塊在-10~80 ℃范圍內(nèi)有良好的測(cè)溫效果。在具體的模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，還有其他一些因素會(huì)對(duì)測(cè)溫的精度產(chǎn)生影響，若要進(jìn)一步提高該方案的測(cè)溫精度，可在以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步的改進(jìn)處理[6]：1）電源的穩(wěn)定性，由于采用RC 充放電方式獲取熱敏電阻的阻值， 系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性對(duì)充放電時(shí)間有較顯著的影響，實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，采用低噪聲、高穩(wěn)定的電源有利于測(cè)量精度的提高。2）熱敏電阻形狀，熱敏電阻的體積非常小，可以制造成各種形狀，應(yīng)根據(jù)具體使用場(chǎng)合的不同，選擇合適形狀的熱敏電阻，使測(cè)量值能準(zhǔn)確反映測(cè)量溫度。3）傳感器的一致性，傳感器的一致性差，會(huì)引起很大的測(cè)量誤差，熱敏電阻在作為精密的溫度傳感器使用時(shí)，應(yīng)選擇產(chǎn)品的互換性在0.1%以上。4）計(jì)算精度，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的處理運(yùn)算較為復(fù)雜，在進(jìn)行處理程序編寫時(shí)，應(yīng)注意保持較高的計(jì)算精度，防止計(jì)算過程帶來較大的誤差。