一种新型数字温度计的设计与实现.docx

          一种新型数字温度计的设计与实现                    在日常生活和工农业生产中，温度是一种十分重要的参数，在所有温敏元件中，热敏电阻占有极为重要的位置相对于一般的金属热电阻而言，热敏电阻具有输出信号大、灵敏度高、热容量小、响应速度快、体积小、价格低、高阻值等优点，它被广泛用于需要温度测量和控制的场合但由于热敏电阻是非线性元件，必须对它进行线性化处理温度的数字显示使得人们便捷的知道温度值及其变化量，大大方便人们的工作和生活一、负温度系数（NTC）热敏电阻简介负温度系数热敏电阻，其主要特点是当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降，所以热敏电阻常用于低温测量热敏电阻的非线性很严重，对它进行线性化处理是扩大测量范围和提高精度必须解决的问题为了解决热敏电阻的非线性问题，常用的方法有电桥线性法、恒流源测量法、恒压源测量法等在实际测量中要根据热敏电阻的允许功耗来确定电流，在测温中电流不能选得太高二、热敏电阻测温电路设计当温度发生变化时，热敏电阻的阻值也相应发生变化利用电桥平衡原理只要阻值有变化，就会输出与阻值变化有关的电压信号，而这个电压恰巧反映的就是热敏电阻的变化，也就是温度的变化，运用V/F转换器将这个电压值转换为频率，这样就将电压值与单片机结合起来，V/F转换器输出的频率脉冲可以直接作为单片机计数器的输入脉冲，计数值由单片机软件计算，将计数值进行算法处理得到待显示的温度值。

一）NTC热敏电阻线性化方法由热敏电阻RT、标准电阻R1组成的电桥输出电压可转化为                                  (1)为获得温度T和电压U的线性关系，需要确定合适的C值，一般选温度变化范围的中点和输出范围的中点相对应，从而确定上式中的C值设测温范围为Tmin ～Tmax，Tmin对应的热敏电阻阻值为Rmn，Tmax对应的热敏电阻阻值为Rmax，输入温度范围的中点为Tmid，其对应的热敏电阻为Rmid要使输入温度范围的中点Tmid与输出范围U的中点相对应，要满足：                                 （2）将式（1）代入可得到：　                  （3）根据式（3）解得的C，就能满足温度T与电压U的线性关系二）V/F转换电路的硬件设计V/F转换即电压/频率转换，将模拟电压信号转换成与电压成比例的脉冲频率量，当输入电压变化时，输出频率也响应变化LM331是一种目前十分常用的电压频率转换器图1为LM331的外接电路图，当输入端Vin（7脚）输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R-S触发器置位，Q输出高电平，输出驱动管导通，输出端3为逻辑低电平，同时，电流开关打向右边，电流源IR(即1脚的输出)对电容CL充电。

此时由于复零晶体管截止，电源Vcc（8脚）也通过电阻Rt对电容Ct充电当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R-S触发器复位，Q输出低电平，输出驱动管截止，输出端3为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电流开关打向左边，电容CL对电阻RL放电当电容CL放电电压等于输入电压Vin时，输入比较器再次输出高电平，使R-S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡设电容CL的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容CL上电荷平衡的原理，得：可见,输出脉冲频率f与输入电压Vin成正比，从而实现了电压—频率变换式中IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定，改变Rs的值，可调节电路的转换增益，t1由定时元件Rt和Ct决定，IR与1.90V参考电压和外接电阻Rs以及t1与Rt和Ct的关系如下：               代入（5）式，得到输出频率与电路参数的关系为： 可见，在参数Rs、RL、Rt、Ct确定后，输出脉冲频率f与输入电压Vin成正比，从而实现了电压—频率的线性变换改变式中Rs的值，可调节电路的转换增益，即Vin和f之间的线性比例关系。

由于元器件与标称值存在误差，在电路参数基本确定后，通过调节Rs的电位器，可以实现所需V/F线性变换电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度三、软件设计交流信号的频率测量，一般是通过对信号进行整形变成脉冲信号，用计数器计脉冲来测量，用1s的时基信号作为计数门的控制信号，在 1s内对被测信号脉冲的计数值即是频率值一）测频方法以及显示接口电路设计测量频率法，是在单位定时时间内对待测信号脉冲进行计数测量频率法的最简单的接口电路是将待测脉冲直接连接到单片机的 T0端，T0用作计数器，T1用作定时器，在T1的定时时间里，对待测脉冲进行计数，T0的计数值便是单位定时时间里的待测脉冲个数以上的端口接法只是作为举例，T0﹑T1用时接法可以互换初始化时写入的控制字TMOD=0x15，T0和T1分别用作计数器、定时器，TH0=0，TL0=0，TH1=0x3c，TL1=0xaf，T1溢出一次代表50ms，1s时间到，T0计数得到的值就是所测的频率这样测得的频率可能不精确，可采用重复测量多次取平均值的方法得到精确的频率值单片机将经过算法处理后的温度值转换为LED显示，可采用静态显示，不占用I/O口，减轻CPU的负担。

二）计数误差分析在单片机定时计数时，可能会出现丢失两次半个计数脉冲的情况第一次丢失半个计数脉冲，是由于开始检测的计数脉冲宽度已小于机器周期；第二次丢失的半个计数脉冲是由于计数脉冲的负跳变在定时之外所以单片机定时计数最坏的情况是总共丢失一个计数脉冲定时时间内出现计数脉冲丢失，将引起测量精度的降低由于单片机系统的软件可控性，我们可以消除第一次丢失半个计数脉冲的影响，计数时使用单片机的两个定时器：一个定时，另一个计数计数器和定时器同时由外部信号控制启动，且与待测脉冲信号同步；但我们还是无法消除第二次丢失半个计数脉冲的影响，因为外部待测信号频率的随机性，软件无法加以控制使它和时钟脉冲保持一致四、结语 V/F转换的使用有效地解决了空间和过程通道的干扰，一般来说V/F转换适用于信号变化缓慢﹑检测速度不高的场合该实验系统使用LM331能有效地实现温度的自动检测与转换，应用于精度不高的系统中，而且具有体积小、结构紧凑、简单、直观的等优点Reference：[1]赵 军，NTC热敏电阻线性化新方法，电测与仪表2006第1期[2]电压-频率变换器LM331，[3]薛钧义 张彦斌，MCS-51系列单片微型计算机及其应用，西安交通大学出版社,1990年6月第一版（作者单位：西安航空技术高等专科学校）  -全文完-。