多传感器高准确度便携式温度测量仪

梁嘉琪，董浩斌，葛　健

（中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北 武汉 430074）

多传感器高准确度便携式温度测量仪

梁嘉琪，董浩斌，葛健

（中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北 武汉 430074）

为适应不同环境下不同测温范围不同测温准确度的要求，实现高准确度温度测量，设计一种基于多传感器的自动识别测温仪。系统以低功耗处理器MSP430为核心，采用PT1000、DS18B20、Tsic506温度传感器，完成3种传感器的高准确度高分辨率测温与自动识别，并在LCD屏显示当前传感器的温度值。采用四线制PT1000测量方法减少引线误差，采用中值平均滤波减少随机误差和查表法降低非线性误差，实现PT1000的高准确度温度测量。设计高效率低功耗的电源模块，为各模块工作提供可靠的电源，可在2节5号电池下持续工作100h。实验结果表明，系统的测量范围为-100～500℃，PT1000可以完成整个温度的测量，在-100～100℃测量准确度为0.1℃，准确度高，适用范围广。DS18B20可以完成-55～125℃温度的测量，准确度为0.5℃，价格低廉。Tsic506可以完成-50～150℃的温度测量，准确度为0.1℃，准确度高，速度快。用户可以根据不同的需要选择不同的传感器，完成温度的高准确度测量。

PT1000；DS18B20；Tsic506；查表法；自动识别；低功耗

0　引　言

温度测量是工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中重要的测量项目［1］。在地温测量领域，需要对地表及以下不同深度土壤温度进行测量，在不同的环境和需求下，对测温仪的测量范围和准确度要求不同［2-3］。在仪器领域，如高准确度磁阻磁力仪和磁通门磁力仪，在大温度范围的环境下，探头线圈材料的物理特性会发生较大变化［4-5］，温度系数测量直接决定磁场测量准确度。如光泵磁力仪和原子磁力仪，为了能够在吸收室形成光泵效应，需要使吸收室的原子为蒸汽状态，温度测量与控制不准确就会发生共振偏移［6］。目前用于温度测量的传感器有PT1000和DS18B20；DS18B20测量准确度比较低、速度慢［7］，但其价格便宜、功耗低，得到了广泛应用。针对不同的应用环境，需要选择专门的测温仪器。为适应不同环境下的测温要求，实现高准确度的温度测量，设计了基于多传感器的温度测量仪。

1　传感器

在温度测量中，由于不同的应用环境和不同的准确度要求，在测量范围广、准确度要求较高、速度要求不高的环境下，选用铂电阻传感器。铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。按国际温标（IPTs-68）规定，在-259.34～630.74℃温域内，以铂电阻温度计作基准器。在准确度要求较低的测量领域，选用DS18B20，其功耗低、价格低廉、接口简单，符合低温的测量范围。在准确度要求较高、速度也要求比较高的环境下，选用德国ZMD公司生产的Tsic506，其准确度高、速度快、分辨率高、功耗低、接口简单，可以完成-50～150℃的温度测量。综合考虑，选择了PT1000、DS18B20、Tsic506传感器。

1.1PT1000铂电阻温度传感器

热电阻是基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变化制成的传感器，该传感器值与温度近似温度系数为0.00375℃。在-30～350℃时，PT1000的电阻值与温度近似成线性关系。其阻值与温度的关系式为

在-200～0℃之间：

在0～850℃之间：

R0为0℃时铂热电阻的阻值，其中：

其A级准确度在0℃时电阻的允许误差［7］可达到±0.06%/Ω，允许误差为0.15+0.005|t|。

系统设计的PT1000为四线制测温，来消除引线误差。其测温范围为-100～250℃，为了节省成本，并考虑到稳压源LTC6655的输出电流，如图1所示，设计了由精密电阻R8=10kΩ，R9=10kΩ，R10=0.25kΩ与铂电阻构成电桥电路，可以计算：

可以计算出V+IN=60.9756mV，则：

图1　PT1000电桥测量电路

1.2DS18B20数字温度传感器

DS18B20内部结构主要由64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器4部分组成，其温度传感器是由低温系数晶振和高温系数晶振组成。DS18B20数字温度计提供9～12位（二进制）温度读数，温度信息经过单线接口传输到单片机。温度敏感器件 DSl8B20的测量范围从-55～125℃，可在1s（典型值）内把温度变换成数字。系统设置分辨率0.625℃位，准确度0.5℃。

1.3Tsic506数字温度传感器

Tsic是IST公司的传感器IC产品，其内部由与绝对温度成比例（PTAT）的高准确度参考源、集成低功耗、精密ADC和片上DSP核组成，具有电可擦除存储器来准确地校正输出温度信号。Tsic506是一款高分辨率、高准确度、低功耗、快速响应的温度传感器集成电路［8］。工作电压为3.0～5.5 V，测温范围为-50～150℃，准确度为0.1℃，具有较高的性价比，具备长期稳定性。采用单总线输出方式，接口简单。信号输出速率可以达到每0.1s输出一次，工作电流非常低，信号线最大电流只有45μA，非常适用于移动和低功耗设备［8］。

2　系统设计

为了适应不同环境下的测温需求，实现不同传感器高准确度便携式温度测量，仪器为电池供电，所以对处理器和显示的低功耗有很大的要求。系统选用16位超低功耗的混合信号处理器MSP430和Nokia5110显示屏。系统总体设计如图2所示，PT1000模拟温度传感器对环境温度进行采集，通过信号调理电路，然后把采集的数据经ADC传给单片机，单片机接收数据并进行数据处理后，在液晶屏上显示测量的温度值。DS18B20与Tsic506输出信号均为数字信号，可直接经过单片机处理后在液晶上显示温度值。当传感器连接系统，系统将识别出来的传感器类型和测得的当前温度值在Nokia5110上显示。

图2　测温仪的总体设计

2.1低功耗电源模块

为了方便用户测量，系统采用两节干电池供电，由于电压只有3V，液晶不能工作，且随着电压下降，数字传感器及PT1000的测温准确度会降低，这样就不能完全把电池的能量转换到系统中，为了实现系统长时间工作和高准确度的测量要求，用升压完成电源供电方案。系统选择2节5号电池供电，PT1000的工作额定电流为2 mA；DS18B20工作电压为3～5.5V，温度转换时工作电流为1 mA；Tsic506的工作电压为3～5.5V，其工作电流非常低，3.3V工作时典型工作电流为30μA。经测试，系统不能工作时，单节电池的电压为0.8V。如图3所示，利用低功耗高转换效率的DC-DC升压到5 V，对液晶屏Nokia5110供电；利用低功耗LDO稳压到3.3V，实现对单片机，传感器供电；并利用低功耗基准源LTC665把3.3V稳压至2.5V，为电桥和模数转换器LTC2411提供基准源。系统设计的高效率低功耗的电源模块，为各模块工作提供了可靠的电源，可在2节5号电池下持续工作100h。

图3　电源模块

DC-DC电源处理芯片的选择，考虑的重点是效率高、功耗低、体积小。经过多方面的对比，选用凌力尔特公司的DC-DC升压芯片LCT3499，这是一款高效率升压转换器，效率可达94%。

升压电路如图4所示，L1为连接2脚与3脚之间的电感，与输出电流能力有关，C2为输入滤波电容。7脚FB为反馈回路，用来调整输出电压。R2、R3、R4构成了反馈调节，输出电压为

5脚SS为Soft-Start，连接电容器C7到该端与地控制启动时电流的涌入。

图4　DC-DC升压电路

开关电源由于开关噪声，会产生很大的纹波，所以在输出如何减少电压波动很重要。本电路首先采取了钽电容C4和瓷片电容C6并联进行滤波，L2与C5构成一级LC滤波，滤除信号中的高频信号，使电源纹波降到最小。通过测试，该开关电源输出电压为4.97V，纹波电压峰峰值为5.6mV，准确度为0.12%。

3.3V电压源产生电路选用凌力尔特公司的低功耗LDO稳压芯片LT1521的固定电压输出3.3V。其输入输出压差为0.5 V，输出电流为300 mA，静态电流为12μA。通过测试，开关电源输出的5V电压经过LDO线性稳压器后的输出电压为3.3V，纹波峰峰值电压为2.56mV，准确度为0.07%。

电桥供电以及模数转换器基准源供电电路选用凌力尔特公司的精密低功耗基准源LTC6655。其噪声非常低，在0.1～10Hz下，噪声为0.25×10-6。

2.2PT1000传感器温度采集

MSP430单片机供电为1.8～3.6V，是低功耗处理器，其时钟系统中共有1种活动模式（AM）和5种低功耗模式（LPM0～LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA，特别适用于利用电池供电的场合［9］。本系统使用MSP430F169实现温度信号的采集、处理、显示、传输等任务。

PT1000输出信号为模拟信号，其测温准确度是0.1℃，由PT1000分度表可得，当温度变化0.1℃时，其阻值变化0.391Ω，可以计算出其电压的改变值为0.0808mV。为了避免使用放大器带来误差，所以ADC量化绝对误差远远小于0.1℃变化电压值，此时选用凌力尔特的24位模数转换器LTC2411。直流输入共模抑制比最小为110dB。基准电压为2.5V，量化绝对误差为0.000149mV，满足准确度要求。

LTC2411的数据传输方式为SPI模式，在SCK的下降沿读取数据。数据第28位到第5位有效，高位先移出。读取的电压模拟值为

式中：VPT1000——ADC采集到的数字值；

VADC——电桥电压模拟值。

2.3软件设计

系统自动识别3种传感器，并显示当前温度。软件流程如图5所示。开机后，系统初始化，进入开机页面显示，并打开I/O中断，检测自动识别键是否按下；如果按下，就会进入中断服务子程序，初始化3种传感器，检测传感器输入状态。当传感器插入后，其相应的信号脚就会有信号输入，识别传感器后，关闭识别中断，计算该种传感器的温度值，并进行数据处理，显示在液晶屏。

图5　软件流程图

PT1000温度采集时会有非线性误差和随机误差，系统软件设计部分利用中值平均值滤波减少随机误差和查表法［10］校正PT1000的非线性误差。本系统利用中值平均值滤波取得了良好的效果，使信号在测量的范围内更加稳定。查表法是计算出与电阻值相对应的温度值，如果以0.1℃为单位，就能够得出一张铂电阻的0.1℃分度表，为了计算某一特定的温度值，需要运用二分法首先确认最接近的两个电阻值，然后用插值法确定测量温度值，也就是在0.1℃内对PT1000进行线性化。在计算结束后，返回温度值，该值也被扩大为整数；放大倍数的大小与准确度有关。

当系统检测到已初始化DS18B20时，发送功能ROM指令，指令发送成功后，发送存储器操作命令，根据命令按照相应的时序进行温度转换，读取温度值等。DS18B20是1-wire总线协议方式，即单总线双向传输，有严格的时序要求，可以根据其相应的初始化时序，读写时序，实现DS18B20的测温。

当检测到已初始化Tsic506时，接收信号脚2脚输出的数字值，并计算当前温度值。Tsic506工作时序为ZACwire通信协议，位编码类似于时钟信号嵌入数据信号中的曼彻斯特编码（信号的下降沿以固定周期产生）。Tsic506发送长度为1字节的数据包。这些包由1个起始位、8个数据位和1个奇偶校验位组成。来自Tsic506的完整温度数据包由2个包组成；第1个包包含低8位的温度信息，第2个包包含高3位的温度信息。

来自于Tsic506的ZACwire完整数据包如图6所示，在第1个传输包的末端和第2个传输包的开始之间有一个宽度为1/2信号位宽的高信号，即停止位［11］。

图6　Tsic506的ZACwire完整数据包

Tsic506操作非常简单，当单片机拉高电源引脚时，开启Tsic506，单片机就可以通过数字信号脚依次读出温度的值，计算公式为

根据式（6）就可以计算出当前的温度值。当单片机拉低电源引脚时，关闭Tsic506。

3　系统测试

3.1系统准确度测试

PT1000铂电阻测温结果与理论值对比如表1所示，其阻值为万用表所测，可以看出，测温仪所测温度与实际温度误差＜0.1℃，可应用于测量范围广、准确度要求较高、速度要求不高的环境下。

表1　PT1000测量值与标准值对比

DS18B20和Tsic506准确度测试结果与PT1000测温结果对比如表2所示，以PT1000为测量标准，可以看出，DS18B20测温仪所测温度与实际温度误差＜0.5℃，可应用于准确度要求较低的测量领域。Tsic506所测温度与实际温度误差＜0.1℃，可应用于准确度要求较高、速度也要求比较高的环境下。

表2　DS18b20 Tsic506测量值与PT1000测量值对比

3.2系统稳定性测试

仪器在测量中的稳定性非常重要，温度稳定性在数值上表示为：在测试时间内，温度波动达到的最高温度值和最低温度值的一半温度［12］。温度是一个缓变的物理量，在一定时间内可以看做是一个相对恒温的环境。

如图7所示，纵坐标为当前实测温度与平均值的差值。在40s内，PT1000测量温度波动的最高值与最低值为0.16℃，其稳定度为0.08℃。DS18B20测量温度波动的最高值与最低值为0.24℃，其稳定度为0.12℃。Tsic506测量温度的波动的最高值与最低值为0.17℃，其稳定度为0.085℃。经过测试，仪器所有传感器稳定度小于准确度，稳定性可靠。

图7　传感器稳定性测试

4　结束语

本文设计了一种基于PT1000、DS18B20、Tsic506多种温度传感器，以MSP430F169为核心，2节5号电池（可兼容充电电池与普通电池）供电的低功耗的便携式测温系统，实现了3种不同测温传感器的互补，在不同的测量环境和要求下，用户只需要更换传感器就可以完成温度的高准确度测量。系统提供了可靠的低功耗供电方案，可为便携式仪器做参考，可应用于气象监测、井下（浅）地温、地热勘察以及仪器温度系数标定等领域。

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（编辑：刘杨）

High-precision portable temperature measurement system based on three kinds of sensors

LIANG Jiaqi，DONG Haobin，GE Jian
（School of Automation，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

In order to adapt to the temperature measurement requirements of different surface depths in different environments and achieve high-precision temperature measurement，an automatic recognition thermo detector on the base of multi-sensor has been designed.In the investigation，basingonthelowpowerCPUMSP430，threetemperaturesensors——PT1000，DS18B20，Tsic506，was used to achieve the requirements of high-precision temperature measurement and automatic recognition.The active sensor and temperature value can be displayed in LCD screen. To realize the high accuracy measurement of PT1000，PT1000 four-wire measurement method，median-value filter method and look-up table method was used to reduce the lead error，random error and nonlinearity error，respectively.While a high efficiency and low power consumption module was designed to provide a reliable power supply for each module，which can support the system to work for 100 hours continuously with two AA batteries.The results show that the system can measure the temperature from-100℃ to 500℃.The PT1000 can achieve the measurement of the whole temperature range and the accuracy can reach 0.1℃，when the temperature changing from-100℃ to 100℃ with high precision，wide application scope.DS18B20 and Tsic506 can successfully measure the temperature of-55℃ to 125℃ with a 0.5℃ precision and-50℃ to 150℃with a 0.1℃precision，respectively.The user can implement measurement ofhigh precision temperature according to different needs by choosing different sensors.

PT1000；DS18B20；Tsic506；look-up table method；automatic identification；low-power

A

1674-5124（2016）05-0070-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.015

2015-11-01；

2015-12-29

国家自然科学基金（41474158）国防预研项目（404070201）中央高校基本科研业务费专项资金项目（CUG110822）

梁嘉琪（1992-），女，硕士研究生，专业方向为微弱信号检测及地球物理仪器。