新型溫度檢測電路設(shè)計研究

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1.引言

在制造業(yè)當中溫度檢測在多個方面都具有較為重要的應(yīng)用，但傳統(tǒng)溫度檢測電路在功耗、精確性等方面都存在著較大缺陷，逐漸無法滿足工業(yè)生產(chǎn)實際需求。基于此種情況，本文設(shè)計了一種新型溫度檢測電路，該檢測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)計的，能夠有效簡化濾波電路，從而實現(xiàn)對溫度的自動化測量，同時由于該電路控制器與振蕩器時鐘是完全同步的，其對溫度的測量將更加精準（謝海武，嚴桂林，魏學剛，馬俊，一款基于MSP430F6638的時鐘及溫度檢測數(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已知的參考電壓VREF進行比較，積分器達到比較器翻轉(zhuǎn)點所需的時間與模擬輸入電壓成比例。

2.電路設(shè)計分析

在進行該溫度檢測電路設(shè)計時選擇LPC768單片機為設(shè)計控制芯片，其為80C15單片機的增強版，該控制芯片的管腳分布如圖2中所示，同時其在20腳DIP與SO封裝當中增設(shè)了多種通信端口以及監(jiān)控端口，通過這種設(shè)計模式能夠有效降低系統(tǒng)整體造價，且滿足低電壓、低能耗的使用需求。同時為了滿足該系統(tǒng)觸發(fā)輸入需求并簡化定時器設(shè)計，為系統(tǒng)提供了能夠直接進行編程的I/O接口，這就使得電路可以接入的電壓范圍相對較大。該單片機中共計設(shè)計了8個轉(zhuǎn)換器，其中有4個轉(zhuǎn)換器為PO接口，這四個接口可以作為獨立的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)勢在于其靈敏性較高，在實際檢測過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的精準測量。從上式(3)中可以發(fā)現(xiàn)該電路所檢測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間也就越長，反之則電容的充電時間則相對較短（晉會杰，電氣火災(zāi)信號檢測方法及硬件電路設(shè)計，

3.溫度測量誤差解決分析

（1）電容殘留電壓對測量結(jié)果的影響。電容器放電殘留電壓會對溫度測量的結(jié)果產(chǎn)生定量影響。針對此種測量誤差可以將參考電壓取值增大來提升測量的精準性，在本電路當中將電容電壓參考值取值設(shè)為0.5Vcc。

（2）充電時間對測量精度的影響。從上文的分析中可以發(fā)現(xiàn)時間檢測對于溫度測量的精確性具有直接影響。在設(shè)計中充電時間的檢測往往通過中斷定時器定時來實現(xiàn)，最終計算出有效充電時間，一般情況下充電時間計算往往會存在著一定定量的誤差，尤其是在待測溫度相對較高的情況下。在該電路當中直接根據(jù)待測溫度的具體數(shù)值增加一個線性的充電實現(xiàn)修正誤差值，具體為2～6us。

（3）熱敏電阻本身的特性對計算結(jié)果精準性的影響。熱敏電阻是該檢測電路的重要元器件，由于工業(yè)生產(chǎn)所存在的誤差，熱敏電阻所測得的真實誤差往往并非是完全精準的?；诖朔N情況，在本文的研究當中選擇了質(zhì)量相對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檢測結(jié)果精確性存在一定影響，同時測速的精準性也具有一定的要求，在該電路當中取VREF＝12VCC，即取R1=R2=10kΩ。若所設(shè)計的電容為大容量電容則單片機往往會受到較大的沖擊，嚴重時甚至會出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。因此，在該電路當中選擇在電容與單片機之間增設(shè)一個100Ω電阻（宋易，唐杰，劉白楊，李冬，張開炬，盛立春，基于STM32的蓄電池狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計：電子測試，2018）。整個系統(tǒng)的充電時間約等于0.7RC，但所待測溫度相對較低，則熱敏電阻所產(chǎn)生的阻值也相對較小，那么整個電路的充電時間也會被控制在較短的時間之內(nèi)。為了確保充電的精確度，也可以對電路電容值進行適當調(diào)整，例如若待測電路的環(huán)境溫度相對較高則可以選擇電容值相對較大的電容。

5.程序設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計為每33ms進行一次溫度檢測，在檢測滿16次之后求其平均值作為最終采樣計算結(jié)果，最后還需通過插值計算以及查表來求得最終溫度檢測結(jié)果。為了簡化數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在計算表格中采用十六進制整數(shù)來表示相關(guān)數(shù)值。由于系統(tǒng)的精度按照1℃來表示，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來表示。經(jīng)過這種十六進制的轉(zhuǎn)化之后則溫度能夠全部轉(zhuǎn)化為純字符。根據(jù)實際溫度測量需求，該電路中所測量的溫度范圍為0～99℃，按照以上需求，經(jīng)計算機處理之后即可得到具體計算數(shù)值。同時為了簡化插值計算難度，將基數(shù)表中的每一項數(shù)據(jù)均減去下一項，并計算最終的絕對值，得到增量表（張博，基于單片機的溫度自動控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計：自動化與儀器儀表，2018）。查表子程序：在得到完整的表格之后，還應(yīng)根據(jù)具體的測算結(jié)果，求得段內(nèi)偏移量與區(qū)間增量，即根據(jù)計算差值來計算溫度的具體數(shù)值。該子程序是通過所測得的兩個不同溫度下所對應(yīng)的充電方程來確定待測系數(shù)，并根據(jù)具體充電時間來建立溫度方程的。通過具體公式的計算即可求得具體的溫度值。

定時中斷子程序：定時中斷子程序具體圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該程序首先需要初始化定時器與比較器，最后再觸發(fā)定時器，讀取充電時間，實現(xiàn)電容放電，以便進行下一次充放電檢測，同時結(jié)合查表計算結(jié)果來確定具體檢測結(jié)果。

6.結(jié)語

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

作者：黃濤 單位：貴州輕工職業(yè)技術(shù)學院