新型溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)研究

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1.引言

在制造業(yè)當(dāng)中溫度檢測(cè)在多個(gè)方面都具有較為重要的應(yīng)用，但傳統(tǒng)溫度檢測(cè)電路在功耗、精確性等方面都存在著較大缺陷，逐漸無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求。基于此種情況，本文設(shè)計(jì)了一種新型溫度檢測(cè)電路，該檢測(cè)電路是基于使用了雙斜率原理以及Σ-Δ原理的新型數(shù)模轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)的，能夠有效簡(jiǎn)化濾波電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)化測(cè)量，同時(shí)由于該電路控制器與振蕩器時(shí)鐘是完全同步的，其對(duì)溫度的測(cè)量將更加精準(zhǔn)（謝海武，嚴(yán)桂林，魏學(xué)剛，馬俊，一款基于MSP430F6638的時(shí)鐘及溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示電路：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019）。，為雙斜率基本原理圖積分器的輸入從“0”切換到模擬輸入電壓(Ain)。積分器的輸出值和一個(gè)已知的參考電壓VREF進(jìn)行比較，積分器達(dá)到比較器翻轉(zhuǎn)點(diǎn)所需的時(shí)間與模擬輸入電壓成比例。

2.電路設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行該溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)選擇LPC768單片機(jī)為設(shè)計(jì)控制芯片，其為80C15單片機(jī)的增強(qiáng)版，該控制芯片的管腳分布如圖2中所示，同時(shí)其在20腳DIP與SO封裝當(dāng)中增設(shè)了多種通信端口以及監(jiān)控端口，通過(guò)這種設(shè)計(jì)模式能夠有效降低系統(tǒng)整體造價(jià)，且滿足低電壓、低能耗的使用需求。同時(shí)為了滿足該系統(tǒng)觸發(fā)輸入需求并簡(jiǎn)化定時(shí)器設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)提供了能夠直接進(jìn)行編程的I/O接口，這就使得電路可以接入的電壓范圍相對(duì)較大。該單片機(jī)中共計(jì)設(shè)計(jì)了8個(gè)轉(zhuǎn)換器，其中有4個(gè)轉(zhuǎn)換器為PO接口，這四個(gè)接口可以作為獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換輸入。綜合權(quán)衡供電系統(tǒng)、成本以及電路體積等多方面的要素，選擇采用比較器作為溫度檢測(cè)的基本元器件，從圖中可以發(fā)現(xiàn)RT為一款熱敏電阻，該電阻最大的優(yōu)勢(shì)在于其靈敏性較高，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。從上式(3)中可以發(fā)現(xiàn)該電路所檢測(cè)的溫度與電容的充放電事件之間存在著顯著相關(guān)性，所測(cè)得的溫度越低則熱敏電阻的阻值就越大，那么電容的充放電時(shí)間也就越長(zhǎng)，反之則電容的充電時(shí)間則相對(duì)較短（晉會(huì)杰，電氣火災(zāi)信號(hào)檢測(cè)方法及硬件電路設(shè)計(jì)，

3.溫度測(cè)量誤差解決分析

（1）電容殘留電壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。電容器放電殘留電壓會(huì)對(duì)溫度測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生定量影響。針對(duì)此種測(cè)量誤差可以將參考電壓取值增大來(lái)提升測(cè)量的精準(zhǔn)性，在本電路當(dāng)中將電容電壓參考值取值設(shè)為0.5Vcc。

（2）充電時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響。從上文的分析中可以發(fā)現(xiàn)時(shí)間檢測(cè)對(duì)于溫度測(cè)量的精確性具有直接影響。在設(shè)計(jì)中充電時(shí)間的檢測(cè)往往通過(guò)中斷定時(shí)器定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終計(jì)算出有效充電時(shí)間，一般情況下充電時(shí)間計(jì)算往往會(huì)存在著一定定量的誤差，尤其是在待測(cè)溫度相對(duì)較高的情況下。在該電路當(dāng)中直接根據(jù)待測(cè)溫度的具體數(shù)值增加一個(gè)線性的充電實(shí)現(xiàn)修正誤差值，具體為2～6us。

（3）熱敏電阻本身的特性對(duì)計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)性的影響。熱敏電阻是該檢測(cè)電路的重要元器件，由于工業(yè)生產(chǎn)所存在的誤差，熱敏電阻所測(cè)得的真實(shí)誤差往往并非是完全精準(zhǔn)的。基于此種情況，在本文的研究當(dāng)中選擇了質(zhì)量相對(duì)較高的熱敏電阻作為基本元器件，從而在最大程度上降低因元器件本身問(wèn)題所造成的誤差。

4.電路的參數(shù)選擇

由于電容殘留放電對(duì)檢測(cè)結(jié)果精確性存在一定影響，同時(shí)測(cè)速的精準(zhǔn)性也具有一定的要求，在該電路當(dāng)中取VREF＝12VCC，即取R1=R2=10kΩ。若所設(shè)計(jì)的電容為大容量電容則單片機(jī)往往會(huì)受到較大的沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)損壞現(xiàn)象。因此，在該電路當(dāng)中選擇在電容與單片機(jī)之間增設(shè)一個(gè)100Ω電阻（宋易，唐杰，劉白楊，李冬，張開(kāi)炬，盛立春，基于STM32的蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：電子測(cè)試，2018）。整個(gè)系統(tǒng)的充電時(shí)間約等于0.7RC，但所待測(cè)溫度相對(duì)較低，則熱敏電阻所產(chǎn)生的阻值也相對(duì)較小，那么整個(gè)電路的充電時(shí)間也會(huì)被控制在較短的時(shí)間之內(nèi)。為了確保充電的精確度，也可以對(duì)電路電容值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，例如若待測(cè)電路的環(huán)境溫度相對(duì)較高則可以選擇電容值相對(duì)較大的電容。

5.程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每33ms進(jìn)行一次溫度檢測(cè)，在檢測(cè)滿16次之后求其平均值作為最終采樣計(jì)算結(jié)果，最后還需通過(guò)插值計(jì)算以及查表來(lái)求得最終溫度檢測(cè)結(jié)果。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在計(jì)算表格中采用十六進(jìn)制整數(shù)來(lái)表示相關(guān)數(shù)值。由于系統(tǒng)的精度按照1℃來(lái)表示，因此整數(shù)單位則設(shè)定為0.5℃，既0℃用0表示，而0.5℃則直接用1來(lái)表示。經(jīng)過(guò)這種十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)化之后則溫度能夠全部轉(zhuǎn)化為純字符。根據(jù)實(shí)際溫度測(cè)量需求，該電路中所測(cè)量的溫度范圍為0～99℃，按照以上需求，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理之后即可得到具體計(jì)算數(shù)值。同時(shí)為了簡(jiǎn)化插值計(jì)算難度，將基數(shù)表中的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)均減去下一項(xiàng)，并計(jì)算最終的絕對(duì)值，得到增量表（張博，基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)：自動(dòng)化與儀器儀表，2018）。查表子程序：在得到完整的表格之后，還應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)算結(jié)果，求得段內(nèi)偏移量與區(qū)間增量，即根據(jù)計(jì)算差值來(lái)計(jì)算溫度的具體數(shù)值。該子程序是通過(guò)所測(cè)得的兩個(gè)不同溫度下所對(duì)應(yīng)的充電方程來(lái)確定待測(cè)系數(shù)，并根據(jù)具體充電時(shí)間來(lái)建立溫度方程的。通過(guò)具體公式的計(jì)算即可求得具體的溫度值。

定時(shí)中斷子程序：定時(shí)中斷子程序具體圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該程序首先需要初始化定時(shí)器與比較器，最后再觸發(fā)定時(shí)器，讀取充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電容放電，以便進(jìn)行下一次充放電檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合查表計(jì)算結(jié)果來(lái)確定具體檢測(cè)結(jié)果。

6.結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)溫度檢測(cè)電路在功耗與精準(zhǔn)性方面往往存在諸多問(wèn)題，為了滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，在本文的一種新型溫度檢測(cè)電路，該電路是基于雙斜率原理所設(shè)計(jì)，以熱敏原件為基本元器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精確測(cè)量。

作者：黃濤 單位：貴州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院