适于NTC传感器的可互换温度测量仪

　　1　概述

　　温敏电阻具有体积小、灵敏度高和反应速度快的优点,因而得以广泛应用,但它也有非线性度比较大及特性差异大的缺点。传统上采用串并联固定电阻的方法使得它们特性保持一致。近年来也开发出多种对其作线性化处理的电路,其中温度——频率和温度——时间转换电路[1]～[4]比较典型,因为与温度成正比的数字输出易于计数和显示,但参考文献[1]～[4]所描述的处理电路对元件精度要求高且难于调试。本文所描述的基于单片机的测量仪克服了这些缺点,标定时只需输入两个参考温度值即可,不需要调节,从而解决了NTC传感器应用时所遇到的线性化及互换性问题。

　　2　转换原理

　　转换原理如图2—1所示。电阻R1、R2、三极管T1及运放A1组成给温敏电阻RT提供电流的回路,微处理器MPU控制的电子开关S1控制R、C回路的充放电过程,MPU根据比较器A2的状态确定计数是开始还是结束。转换过程是这样的:t=0-时S1闭合,电容C两端接地,A2输出为低电平,MPU不计数;t=0+时S1打开,同时MPU开始计数,电源通过R给C充电;当到时刻t时,A2的状态发生变化,由低电平变为高电平,这时MPU停止计数,并使得S1闭合。过一段时间后又重新开始这样的过程。RT是NTC,符合指数规律:

　　式(2—7)说明,不论选取R1、R2、R3、R、C和RT0、T0为何值,只要MPU计算出两个参考温度点T1、T2对应的K1、K2,然后存储起来,每次测量只是把K1、K2代入式(2—7)计算出T的值即可。实际上,既使电路元件与设计值有较大偏差,以及NTC的特性差异比较大,用此方法设计的仪表都作一致性的处理,而且免于调试,理论上无线性转换误差。

　　3　标定方法及试验结果

　　本装置是采取MPU对时间计数的方式,假定转换时间t、t1、t2所对应的计数分别是N、N1、N2,只须把式(2—1)、式(2—6)中的t、t1、t2分别由N、N1、N2代替,K1、K2不变。标定方法对于使用者来说很简单:只需向MPU输入两个标定温度点T1、T2即可,MPU的标定程序根据t1、t2及相应测得的N1、N2计算出K1、K2,最后写入ROM或外挂的串行EEPROM。

　　每次测量时读出K1、K2,按式(2—7)计算出T所表示的绝对温度值,再由MPU换算成摄氏温度值,最后送入LED显示。

　　要说明的是R1、R2、R3的选值应使得三极管T1工作在放大区。我们取R1=90K,R2=10K,R3=200,NTC采用MF53—1型,MPU选常用的8031系列单片机,Vcc=9V,A1采用LM224,温度标准采用一等标准铂电阻温度计,两个标定温度点分别是25℃和85℃。在0℃—100℃范围内本仪器的测量差小于0.2℃。

　　4　结论

　　本装置具有结构简单、单电源供电、免于调试的优点,对电路中的阻容器件无精度要求,解决了NTC传感器应用时所遇到的线性化及一致性问题。