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；數據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，減小了處理誤差，提高了測溫數據處理的精度和可靠性。所設計的測溫模塊經實驗測試，測溫精度能夠達到0．2℃，工作穩定， 可應用于各種需要溫度測量場合。
關鍵詞：溫度測量；LM3S101；熱敏電阻；RC充放電；分段線性化

溫度信息是各類監控系統中主要的被控參數之一，溫度采集與控制在各類測控系統中應用廣泛。隨著處理器技術的發展，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，實現了一種成本低、測溫精度高的溫度測量模塊設計方案。經實際測量實驗，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 溫度信息的獲取
實現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字量傳送給處理器進行處理。這種方式硬件電路設計及數據處理相對麻煩，成本較 高，并且所獲取的熱敏電阻阻值精度受電源穩定性和A／D轉換器的位數限制，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l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O．1 μF普通電容。
實現熱敏電阻阻值獲取的步驟及原理如下：1)先將端口P1．O、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，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，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，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，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，實現溫度信息的獲取。