基于LM3S101 處理器的溫度測量模塊設計

摘要： 為了提高溫度測量的精度，簡化硬件電路設計，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量模塊設計方案。該測溫模塊通過采用RC 充放電方式實現(xiàn)熱敏電阻阻值的獲取，避免使用A/D轉換器，簡化了硬件電路；數(shù)據(jù)處理通過對熱敏電阻測溫曲線的分段線性化及加窗平滑濾波的方式實現(xiàn)，減小了處理誤差，提高了測溫數(shù)據(jù)處理的精度和可靠性。所設計的測溫模塊經(jīng)實驗測試，測溫精度能夠達到0.2 ℃，工作穩(wěn)定，可應用于各種需要溫度測量場合。

　　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控系統(tǒng)中應用廣泛。隨著處理器技術的發(fā)展，在溫度測量領域，ARM 處理器以其高性能、低成本得到了廣泛應用。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充放電電路以及對熱敏電阻測溫曲線的分段線性化處理，實現(xiàn)了一種成本低、測溫精度高的溫度測量模塊設計方案。經(jīng)實際測量實驗，這種設計方案在整個測溫范圍內能夠達到較高測溫精度，且模塊通用性強、成本低且應用廣泛。

　　1 測溫模塊硬件原理：

　　1.1 溫度信息的獲?。?/p>

　　實現(xiàn)溫度的檢測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、阻值大及價格便宜等特點，廣泛應用于溫度測控領域。熱敏電阻應用于溫度檢測，最核心的一個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換為電壓或電流變化，再通過A/D 轉換器進行轉換后將數(shù)字量傳送給處理器進行處理。這種方式硬件電路設計及數(shù)據(jù)處理相對麻煩，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 轉換器的位數(shù)限制，一般比較低，對測溫精度造成較大影響。同時，由于熱敏電阻的非線性，為提高測溫精度通常還需要附加較復雜的補償電路。在設計中，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量中，將阻值轉換為電容的充放電時間進行檢測，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 都設為低電平輸出，使電容C 完全放電。2）將P1.1、P1.2 設置為輸入狀態(tài)，P1.0 設為高電平輸出， 通過電阻RF對C 充電，處理器內部計時器清零并開始計時，檢測P1.2口狀態(tài)，當P1.2 口檢測為高電平時，即電容C 兩端的電壓達到處理器I/O 口高電平輸入的門嵌電壓時，計時器停止計數(shù)，記錄下從開始充電到P1.2 口檢測到高電平的時間T1。3）將P1.0、P1.1、P1.2 再次設為低電平輸出，使C 完全放電。4）再將P1.0、P1.2 設置為輸入狀態(tài)，P1.1 設為高電平輸出， 通過熱敏電阻RT對C 充電，再進行步驟2）相同的過程，記錄下時間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：

　　簡化式（2）即可得到熱敏電阻的阻值：

　　由式（3）計算出熱敏電阻阻值后，通過熱敏電阻測溫曲線，即可把阻值轉換為對應的溫度值，實現(xiàn)溫度信息的獲取。