基于LM3S101處理器的溫度測量模塊設(shè)計(jì)

摘要：為了提高溫度測量的精度，簡化硬件電路設(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量模 塊設(shè)計(jì)方案。該測溫模塊通過采用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，簡化了硬件電路；數(shù)據(jù)處理通過對(duì)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(shí)現(xiàn)，減小了處理誤差，提高了測溫?cái)?shù)據(jù)處理的精度和可靠性。所設(shè)計(jì)的測溫模塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，測溫精度能夠達(dá)到0．2℃，工作穩(wěn)定， 可應(yīng)用于各種需要溫度測量場合。
關(guān)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(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(yīng)用廣泛。隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，在溫度測量領(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)熱敏電阻測溫曲線的分段線性化處理，實(shí)現(xiàn)了一種成本低、測溫精度高的溫度測量模塊設(shè)計(jì)方案。經(jīng)實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)方案在整個(gè)測溫范圍內(nèi)能夠達(dá)到較 高測溫精度，且模塊通用性強(qiáng)、成本低且應(yīng)用廣泛。

1 測溫模塊硬件原理
1．1 溫度信息的獲取
實(shí)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(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)用于溫度測控領(lǐng)域。熱敏電阻應(yīng)用于溫度檢測，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量中，將阻值轉(zhuǎn)換為電容的充放電時(shí)間進(jìn)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(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．O、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P1．2口狀態(tài)，當(dāng)P1．2口檢測為高電平時(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：

由式(3)計(jì)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(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值，實(shí)現(xiàn)溫度信息的獲取。