提高NTC热敏电阻器测量响应速度的方法*

王选择， 赵治俊, 杨练根, 张 雨, 翟中生

(1.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)



提高NTC热敏电阻器测量响应速度的方法*

王选择1,2， 赵治俊1, 杨练根1,2, 张 雨1, 翟中生1,2

(1.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

为了满足温度测量场合对响应速度的要求，利用电阻电容(RC)一阶系统的阶跃响应特性,设计了一种测量时间与阻值成正比的高精度测量电路，提出了一种快速充放电的方法,消除测量方法的无效等待时间。 基于该思想,利用STM32单片机I/O开漏与推挽方式的输出控制,完成自由与快速充放电过程,利用负温度系数(NTC)热敏电阻,实现了高精度温度的测量。稳定性测试实验表明:测量系统在恒温为25 ℃时，连续测试10 h，NTC热敏电阻的阻值相对波动0.006 %，具有较高的稳定性。温度响应实验表明:测量系统符合典型的一阶阶跃响应特点，响应时间较常规的RC温度测量电路明显变短，响应速度得到了提高。基本满足一般测温场合对响应速度的要求。

热敏电阻器； 温度测量； STM32单片机; 快速充放电； 响应速度

0 引 言

温度作为工业测控领域的一个重要参数[1]，随着智能化程度的不断提高，除了要求精确测量外，还要求测量系统响应快[1～3]。

负温度系数(NTC)热敏电阻器具有体积小、受磁场影响小[4]、抗辐射及耐振动的优点[5]。相对于其他温度传感器，例如热电偶和铂热电阻温度传感器，热敏电阻器有着价格低廉[6]、灵敏度高[7～9]和准确性高等优点，在温度测量及控制领域具有广泛的应用[10]。目前，基于NTC热敏电阻器的常规电阻电容(RC)测量电路存在一定的时延效应[11,12]，导致响应速度慢，不能实时准确地测量温度。

针对以上问题，本文提出了一种快速充放电的方法来提高NTC热敏电阻器测量响应速度。首先，利用NTC热敏电阻器和电容器C构成串联回路，通过STM32时钟输出引脚产生一定频率的脉宽调制(PWM)脉冲，对串联回路进行充放电。在充放电过程中，充电电压半满前，采用自由充放电方式，在超过半满电压后，通过开漏到推挽方式的切换，控制与电容器相连的另一STM32的I/O引脚的输出，实现半满电压后的快速充电。同样的方式实现自由放电与快速放电过程,通过对电容器的快速充放电，消除不必要的等待时间，缩短测温时间，提高测量系统的响应速度。同时，通过STM32高分辨的计时器测量自由充放电时间，并计算NTC热敏电阻器当前的阻值。最后，利用NTC热敏电阻器的数学模型，反算推导出当前所测温度。

1 NTC热敏电阻器数学模型

NTC热敏电阻器的阻值与温度的关系为[13]

(1)

式中 T为当前温度，K;R为当前温度下的热敏电阻器阻值，Ω；T0为参考温度[10](通常选为T0=298.15K)；R0为参考温度下的热敏电阻器阻值[13]；Bn为热敏指数，由热敏电阻器的材料所决定，通常为3 000～5 000K之间。实验过程中，采用参考温度为常温25 ℃(298.15K)下阻值R0=10kΩ的环氧NTC热敏电阻器，Bn=3 380。

2 快速充放电测量原理与电路实现

2.1 常规测量方法与存在问题

t=RCln2

(2)

图1 常规温度测量电路原理

通过实时测量时间t的大小来计算NTC热敏电阻器的阻值，再通过NTC热敏电阻器的数学模型，反算出当前所测温度T。

上述常规测量电路存在的主要问题：当所测温度较低时，NTC热敏电阻器的阻值比较大，一阶系统的充放电时间常数RC增大，电容器完全充放电的时间变长，电容器两端电压可能无法充到满电压和无法放到0 V，图2中处于自由非完全充放电状态下的电容电压能说明这一点，此时通过测量时间t无法准确地计算出当前所测温度。

图2 两种充放电状态下的信号对比

2.2 快速充放电原理与逻辑思想

针对上述常规的温度测量电路存在的问题，提出了一种快速充放电的电路。快速充放电控制电路如图3，分为开漏开关电路和推挽开关电路两部分。当一阶系统的电容电压充到半满电压时，开关J1切换到推挽开关电路，同时推挽开关电路的输入端切换为高电平。此时，电容器端的电压由半满电压被迅速拉至高电平(满电压)，实现快速充电。随后开关J1切换到开漏开关电路，同时开漏开关电路的输入端切换为低电平(0 V)，三极管Q1截止，接电容端处于自由悬空态，关闭快速充电，为下一次放电作准备。当电容电压放到半满电压时，开关J1保持之前的开漏开关电路不变，开漏开关电路的输入端切换到低电平。此时，接电容器端拉至低电平，电容器两端电压由半满电压拉至低电平(0 V)，实现快速放电。随后J1继续保持开漏开关电路不变，开漏开关电路输入端切换为高电平，接电容器端处于自由态，关闭快速放电，为下一次充电作准备。

图3 快速充放电控制电路

图4为快速充放电状态下的激励信号电压和电容电压，可以看出，电容电压在升到半满电压时被迅速拉至高电平，在下降到半满电压时被迅速拉至低电平，验证了快速充放电原理的正确性。

图4 快速充放电状态下电压信号

图5 改进后的测量原理图

实际上，利用STM32的一个I/O引脚，根据其不同输出方式，在程序的控制下，不需要三极管的配合，就能完成快速充放电的过程。利用STM32改进后的测量原理图如图5所示。

按照如下的逻辑，设计快速充放电控制程序，以实现电阻的快速测量。

1)当激励信号为高电平，即当前电容处于充电状态下，且比较器输出为高电平的条件下，触发STM32进入中断程序，启动快速充电，如图4所示的b点。随后，关闭快速充电，如图4所示的c点。

2)当激励信号为低电平，即当前电容处于放电状态下，且比较器输出为低电平的条件下，触发STM32进入中断程序，启动快速放电，如图4的e点。随后，关闭快速放电,如图4的f点。

其中STM32启动/关闭快速充充放电时，对应的I/O引脚输出方式如表1所示。

表1 STM32快速充放电I/O引脚配置表

3 测量过程的程序实现

针对上面改进后的快速充放电测量原理，STM32程序设计主要包括测量输入信号PWM产生，外部中断源配置，快速充放电I/O引脚程序控制，时间采集几个方面。其中，PWM是通过STM32的定时器产生；比较器的输出端out作为STM32的外部中断源，中断的触发方式设置双边沿触发，同时结合程序判断，当前处于充电状态还是放电状态，启动相应的快速充电或快速放电输出方式。时间采集运用产生PWM定时器实现。测量程序流程图如图6。

图6 测量程序流程

4 实验结果与分析

4.1 稳定性分析

实验过程中，采用CPU频率为72 MHz的STM32F103RCT6单片机，NTC热敏电阻器选用25 ℃下的阻值为10 kΩ的环氧型热敏电阻器，电容值为0.01 μF的瓷片电容器,STM32定时器产生周期为400 μF的PWM作为激励信号。温控箱选用乐清市立龙工控仪表厂的LLS—48J型号智能温控箱。实验开始前，将温控箱内温度稳定至25 ℃，再将热敏电阻器放置在温控箱里面，进行稳定性测试实验，测试时间为10 h，选取代表性的10 000组数据，分别为充电到半满电压时的脉冲计数值、放电到半满电压时的脉冲计数值、充放电到半满电压时的脉冲平均计数值及25 ℃下的理论脉冲计数值(理论值为4 990)，绘制的曲线图如图7所示。

实际测量电路中，比较器负端的2个分压电阻器R2和R3(如图5所示)不可能完全相等，导致充电到半满电压的时间和放电到半满电压的时间不等，则所对应的脉冲计数值也不等，这一点从图7中也可以看出，因此，可以求出充放电到半满电压时的脉冲平均计数值，消除误差和波动性，图7所示的脉冲平均计数值明显比前两者的波动小，且接近于理论脉冲计数值。

前面所述充放电到半满电压所用时间t=RCln 2=N/f，其中N为脉冲计数值，f=72 MHz为STM32F103单片机CPU频率，R为热敏电阻器阻值，C=0.01 μF,所以,dR/dN=1/fCln 2=2 Ω/个,热敏电阻值的变化与充放电到半满电压所花时间成正比关系，脉冲计数值每变化1个，热敏电阻器阻值变化2 Ω。稳定性测试实验表明，在恒温25 ℃情况下，测试10 h，充放电到半满电压时的脉冲平均计数值波动3个，热敏电阻器阻值波动为6 Ω。

图7 25 ℃下STM32定时器实测脉冲计数值及理论值

4.2 温度变化与测量结果对应关系

根据前面所述NTC热敏电阻器温度T与阻值R变化关系式(1)及充放电到半满电压所用时间t与热敏电阻器阻值R的关系式(2)，可以得到温度T与时间t的关系为

(3)

实验开始前，将温控箱内温度由35 ℃调至70 ℃，再运用改进的快速充放电温度测量电路和常规的RC温度测量电路实现对温度的测量，分别绘制出如图8的温度响应曲线。从图8所测量的2组温度响应曲线中，可以看出测量系统温度响应曲线符合一阶系统的单位阶跃响应特点，首先温度急剧上升，随后上升速度逐步变慢，最后温度趋于恒定值70 ℃。改进后的测量电路相较常规的RC温度测量电路，响应速度有了明显的提高。

图8 温度响应曲线

5 结 论

稳定性实验结果表明:在恒温25 ℃情况下，连续测试10 h，10 kΩ的NTC的热敏电阻器阻值波动变化值仅6 Ω，阻值波动变化仅0.006 %,具有较好的稳定性。温度响应实验结果表明：快速充放电测量电路的温度响应曲线符合一阶系统的阶跃响应特点，快速充放电测量电路的响应速度相较常规的RC温度测量电路而言，有了明显的提高。

[1] 胡鹏程,时玮泽,梅健挺.高精度铂电阻测温系统[J].光学精密工程,2014,22(4):988-995.

[2] 关奉伟,刘 巨,于善猛,等.NTC热敏电阻的标定及阻温特性研究[J].光机电信息,2011,28(7):69-73.

[3] 郭宝亿,谭宝成,张 峰.基于ARM的热敏电阻测温模块设计[J].西安工业大学学报,2009,29(4):361-364.

[4] 王选择,曾志祥,钟毓宁,等.基于相差识别的半导体激光器温度精密测量与控制[J].光电子·激光,2013(2):239-245.

[5] 曹圆圆.基于STM32的温度测量系统[J].仪器仪表与分析监测,2010(1):16-18.

[6] 范寒柏,谢汉华.基于NTC热敏电阻的三种高精度测温系统研究[J].传感技术学报,2010,23(11):1576-1579.

[7] 侯洪洋.半导体激光器温控系统辨识与控制方法的研究[D].武汉：湖北工业大学,2015.

[8] 张天恒,张兴红,陈锡侯,等.基于SOPC的高精度超声波温度计设计[J].传感器与微系统,2014,33(2):101-104.

[9] 于丽丽,王剑华,殳伟群.NTC热敏电阻器在高精度温度测量中的应用[J].传感器与微系统,2004,23(12):75-77.

[10] 刘娟容,陈章位,黄 靖,等.基于NTC热敏电阻器的实时PCR仪数据采集器设计[J].传感器与微系统,2011,30(3):114-117.

[11] Komanapalli Venkata,Lakshmi Narayana,Vaegae Naveen Kumar.Development of an intelligent temperature transducer[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(12):4696-4703.

[12] Kumar A,Singla M L,Kumar A,et al.POMANI-Mn3O4-based thin film NTC thermistor and its linearization for overheating protection sensor[J].Materials Chemistry & Physics,2015,156:150-162.

[13] Chung J P,Oh S W.A residual compensation method for the calibration equation of negative temperature coefficient thermis-tors[J].Thermochimica Acta,2015,616:27-32.

Method for improving response speed of NTC thermistor measurement*

WANG Xuan-ze1,2, ZHAO Zhi-jun1, YANG Lian-gen1,2, ZHANG Yu1, ZHAI Zhong-sheng1,2

(1.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Hubei Key Laboratory of Modern Manufacture Quality Engineering,Wuhan 430068,China)

In order to meet requirement of response speed in temperature measurement occasions,use step response characteristics of resistance capacitance first-order system,design high precision measurement circuit whose measurement time is proportional to the resistance,and put forward a method for fast charging and discharging,eliminate invalid waiting time of measuring method.Based on this idea,respectively use STM32 microcontroller unit(MCU)I/O open drain and push-pull output control,complete free and fast charging and discharging process,use negative temperature coefficient thermistor(NTC),realize high precision temperature measurement.Stability test results show that the measurement system in constant temperature of 25 ℃,continuous measurement of 10 h,relative volatility 0.006 % NTC thermistor resistance,with higher stability.Temperature response experiments show that the measurement system accords with the typical first-order step response,the response time is shorter than that of the conventional RC temperature measurement circuit,and the response speed is improved.Basically meet the requirements of response speed in general temperature measurement occasion.

thermistor; temperature measurement; STM32 MCU; fast charge-discharge; response speed

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0019—04

2016—07—05

国家自然科学基金资助项目(51275157,51275158,51575164)；湖北省科技支撑计划资助项目(2015BCE047)

TH 765.2

A

1000—9787(2017)07—0019—04

王选择(1971-)，男，博士，教授，主要从事精密测量、精密机械与传感器信号处理方面的研究工作，E—mail:wangxz@mail.hbut.edu.cn。