基于LM3S101處理器的溫度測量模塊設(shè)計
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1．2 處理器的選型
處理器是整個測溫模塊的控制及數(shù)據(jù)處理的核心。特別是在本設(shè)計中，由于熱敏電阻的阻值需要直接由處理器進(jìn)行檢測，其性能會對測溫效果、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、性能與價格的考慮，選用ARM處理器LM3S101。LM3S101是基于ARMCortexTM-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，主要特點如下：1)具有32位RISC性能；2)具有2個內(nèi)部存儲器，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32位的通用定時器，其中每個都可配置為1個32位定時器或2個16位定時器，同時還有遵循ARM FiRM規(guī)范的看門狗定時器；4)具有同步串行接口SSI，和UART串行接口，具有很強的信號傳輸功能；5)2～18個GPIO端口，可編程靈活配 置；6)時鐘頻率達(dá)到20 MHz。
除此之外，該款處理器由于采用CortexTM-M3內(nèi)核，支持單周期乘法運算，這在測溫數(shù)據(jù)處理時會有較高的數(shù)據(jù)處理速度與效率。同時，該處理器成本低。
1．3 影響測溫精度的主要因素
由于采用RC充放電的方式獲取熱敏電阻阻值，因此整個測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)部定時器的位數(shù)與精度。處理器工作頻率越 高，定時器位數(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量有較小的誤差。為保證測溫精度，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)，l％精度的金屬膜電阻。
1．4 模塊硬件電路設(shè)計
以ARM處理器LM3S101為核心，結(jié)合上述熱敏電阻阻值獲取原理，給出該測溫模塊核心部分電路原理圖，如圖2所示。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/195195.htm
由圖2可看出，按上述的電容充放電熱敏阻值檢測原理進(jìn)行硬件設(shè)計，核心部分電路較為簡潔，避免了傳統(tǒng)方式中A／D器件的應(yīng)用，達(dá)到了簡化硬件電路設(shè)計，降 低硬件成本的目的。同時，這種設(shè)計又不過多占用處理器的I／O端口，對處理器資源的占用也較少。由于這種方式在阻值獲取時需處理器具有較高的計數(shù)精度，而 在阻值到溫度值轉(zhuǎn)換時需處理器具有較強的運算能力，因此選用LM3S101進(jìn)行核心處理，其
20 MHz的時鐘頻率及ARMCortex-M內(nèi)核集成的硬件乘法單元對此有很好的保證。電路圖中，其他部分簡要說明：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，同時產(chǎn)生處理器工作所需的復(fù)位信號。電阻RF、RT、RS和電容C6構(gòu)成RC充放電電路，用以實現(xiàn)熱敏電阻阻值的檢測，與處理器通過PA2、PA3、PA4 3個GPIO接口相連。LM3S101的10和ll引腳使用其UART功能，連接至電平轉(zhuǎn)換電路，以實現(xiàn)模塊通過串口的通信及溫度數(shù)據(jù)發(fā)送功能。
2 數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計
2．1 熱敏電阻測溫曲線的線性化處理
熱敏電阻的測溫曲線反映了熱敏電阻阻值與被測溫度值之間的關(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，同時阻值到溫度值的轉(zhuǎn)換也是影響測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，在整個測溫范圍之內(nèi)對該曲線進(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，對測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。
實測結(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，保證測溫的精度要求，同時運算速度也能得到保證。
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