一种高精度数字温度传感器电路

卢 佳

（太原工业学院, 太原 030008）

0 引言

温度是与人类紧密相关的物理量，在许多场合都必须对温度进行测量。随着技术的进步，温度测量的方法也在不断发展。在步入数字时代的今天，温度传感器也在从模拟温度传感器转向数字传感器。所谓数字传感器即智能化传感器，是由微型计算机实现其基本功能并且具有协议数字型输出的传感器。在这方面美国DALLAS公司是走在前面的，该公司将感温元件和微控制器封装在一个芯片具有I2C口或单总线输出口，可以测量-55℃～125℃的温度，分辨率为0.5℃。在精度要求不高或测量范围不太宽的场合可以很方便的用于各种智能检测设备中。但是数字温度传感器的发展并没有就此终结，在测量要求精度更高的场合（例如：分辨率要求为0.01℃）或在测量范围要求更宽的场合(例如：测量范围为-80℃～+300℃)，我们就必须设计符合要求的数字温度传感器。

1 数字温度传感器的一般结构

数字温度传感器的一般结构如图1所示，它分为温度敏感元件和信号处理部件两大部分，由于信号处理部件在工作时或多或少会发热，为了不影响温度敏感元件对被测目标的感应精度，应将这两部分保持一定的距离，信号处理器件的工作温度范围在－55℃～125℃之间，当被测温度超过这个范围时应将这两部分保持相当的距离或采取一定的隔离措施。

图1 数字温度传感器的结构

2 电路方案

常见的温度敏感器件有热电偶、热敏二极管、铂电阻、热敏电阻等。这里以铂电阻和热敏电阻为例来完成数字式温度传感器的设计，铂电阻和热敏电阻都是以电阻值的变化来感受温度的，前者阻值变化小而线性度好成本也较高，后者阻值变化大但线性度差成本也较低。与力、加速度等其他物理量相比温度信号的变化比较缓慢，对温度信号的处理不需过高的CPU速度，可以选择速度一般成本较低的微控制器来担任信号处理器件。图2为一种电阻类数字温度传感器的硬件原理图，电路由U1～U4四个集成电路与电阻电容等分立元件组成。其中U1为模拟开关CD4051；U2为运算放大器TL062；U3为单片机LPC922；U4为单5 V供电的TTL电平与RS232C电平转换器件MAX232，该器件自带5V到±12 V DC-DC转换电路，为了尽可能减少本装置体积和成本，U2的正负电源直接取U4的V+和V-的输出。而U1的+5 V、-5 V电源由U4的输出V+、V-经稳压管D1、D2降压后供给。

图2 电路基本原理图

电阻测试采用被测电阻积分计时与标准电阻积分计时相对照的解算原理，以-2 V作为积分器的输入，步骤为：

①送模拟开关控制值A=0及B=0，选X0-Y通路对电容C放电持续1MS，使CinA=0。

③复步骤①使CinA=0。

可见被测电阻Rx只与两次积分的数字D1、D2及参考电阻Rr有关而与积分输入电压及电容值无关，这一点正是我们所希望的。而D1，D2几乎是在同一时间完成的，这样求出的电阻Rx具有很高的准确性。

3 软件设计

当求得电阻之后，温度的求法仅仅是一个计算的问题。对于铂电阻来说一般用一个二次多项式就可以较精确地表达温度T和电阻R之间的关系，计算公式为：R=A(0) + A(1)* T + A(2) * T2。对热敏电阻来说，其温度变化范围大，线性度较差。曲线拟合也较复杂。如某厂生产的热敏电阻需用5个系数来逼近计算公式为：

T=A(0) + A(1)*lnR + A(2)*（lnR）2 +…+ A(4)*（lnR）4（5）*（lnR）5- 273.15

其中对数的计算可采用级数的展开,用嵌套叠加原理来计算。

在温度计算好后用浮点数的形式保存在寄存器中，当与之联接的主机有命令索取温度值时及时送走，传感器在平常处于不断的更新温度值的状态。单片机共设两个中断：比较器中断和通讯中断。为了保证积分计数值的准确，比较器中断设为最高。整个系统的的流程图见图3，从左到右分别为主程序流程图、通讯中断流程图、比较器中断流程图。

4 实验结果

图3 软件流程图

用上述方法制作的样机连接PT1000铂电阻进行温度实测的结果如表1所示，被测样本为高低温恒温箱，实测温度我们选用WSS-411双金属温度计，实测的电阻值和温度值都是样机通过RS232接口送回来的值。其中电阻值是直接双积分A/D求得的，而温度是由二次方程解得的，温度T和电阻R的关系我们用拟合曲线R=aT2+bT+c表达，厂方给出的 PT1000三组标定值分别为：（9.96,1038.875）、（54.98,1213.125）和（99.04,1384.829），由此可求出系数 a=0.0002980113，b=3.851149，c=1000.488。表1为实验数据汇总，可见测量误差是很小的。

可见，利用微处理器实现的智能型多重积分A/D除了具有较好的抗干扰性外，由于其内部计数器配合软件计数不受位数限制的特点，可以大大提高采集数据的分辨率。

表1 实验数据汇总

[1]刘俊,柳春图,张常年.左岐数字传感器及其应用[J].测控技术,2000(5).

[2]陈良光,宋荷庆.数字式温度传感器原理及其应用[J].中国仪器仪表,2001(1).

[3]张剑平.传感器的发展方向及数字传感器的地位[J].传感器世界,2001(10).

[4]马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J].计算机测量与控制,2002(4).

[5]孙鹏.一种数字温度传感器信号处理方法研究[J].工业仪表与自动化装置,2008(6).

[6]林海军,滕召胜,杨圣洁,张洪川.数字温度传感器自适应动态补偿方法[J].仪器仪表学报,2009(1).

[7]Bingjiang Gong.Design of the intelligent heat meter based on MSP430FW425[J].IEEE Conference on Cybernetics and Intelligent Systems,2008:648-51.

[8]Wang Dafang.The application of CAN communication in distributed control system of electric city bus[J].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC),2008:4.