熱敏電阻的高電阻應用于單片機進行頻率法的溫度測量熱敏電阻的高電阻應用于單片機進行頻率法的溫度測量

　　引言
　　
　　在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，許多情況下需要溫度測量，用來測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。熱敏電阻靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、電阻值大等特點,已廣泛于溫度測量和控制領域。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度（即溫度每變化一度時電阻的變化）zui高，在溫室大棚內(nèi)，溫度測量精度一般在±0.5—1ºC左右，在這種情況下，,熱敏電阻的引線長度在100—200米，對測量造成的誤差可以忽略不計，使測量系統(tǒng)的電路簡單、使用方便。
　　
　　1．熱敏電阻的測量電路
　　
　　在多點溫度測量系統(tǒng)中，熱敏電阻采用溫度-頻率法測量框圖，如圖1所示。　　　　
　　圖1中，IC1是555時基集成電路，是一個典型的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,IC2是AT89C52單片機。R3是555電路輸出的電平上拉電阻，使輸出的高電平穩(wěn)定在5V，C2為抗干擾濾波電容，Rt為熱敏電阻，f是頻率信號輸出。
　　
　　其中f=1.442695041/（C1*（R1+2*Rt））
　　
　　從上式可以看出，當C1、R1為固定值時，555時基電路的輸出頻率f僅僅與Rt有關,而熱敏電阻的阻值Rt與測量的溫度有關。因此，需要測量的溫度由Rt熱敏電阻轉(zhuǎn)換成電阻值，通過555時基電路轉(zhuǎn)換成頻率信號，單片機通過P3。5（T1口）對頻率進行測量，就可以計算出測量的溫度值。
　　
　　多路控制開關的組成與工作原理如圖2所示。　　　　
　　在圖2中，IC2為單片機，IC3、IC4為74LS138集成電路組成，J01--J16為繼電器。單片機的P1.0–P1.2作為二個74LS138的地址，P1.3、P1.4作為二個74LS138的片選信號,單片機改變P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4的值，就可以控制繼電器，使熱敏電阻依次接入，進行溫度信號的測量。采用繼電器控制，減少了熱敏電阻接入路的接觸電阻，可以提高測量的精度。顯示設備為5位LED數(shù)碼管，2位用于顯示溫度信號的通道號，3位用于顯示溫度值，其中，2位整數(shù)，1位小數(shù)。
　　
　　2．單片機的應用
　　
　　單片機為AT89C52，片內(nèi)有256BRAM和8KB的FlashROM，可以反復多次改寫程序，十分方便。單片機的定時器/計數(shù)器T1工作在方式1，作為16位的外部脈沖計數(shù)器，記錄555電路輸入的脈沖數(shù)。單片機的定時器/計數(shù)器T0也工作在方式1，作為16位定時器用，記錄單片機CPU的時鐘脈沖。在編寫程序時，使T0的定時時間為0.1秒，通過T1在0.1秒內(nèi)測量到的脈沖數(shù)，就可以計算出頻率值，從而知道被測量的溫度值。參考程序如下：（CPU振蕩頻率為12MHz）
　　
　　MOVTMOD，#15H；設置T0為16位計數(shù)方式，T1為16位定時方式
　　
　　MOVTH0，#00H；T0計數(shù)器清零
　　
　　MOVTL0，#00H；
　　
　　MOV30H，#14AH；循環(huán)20次，使定時時間為0.1秒
　　
　　SETBTR0；啟動T0計數(shù)器開始計數(shù)
　　
　　Y1：MOVTH1，#3CH；T1定時器設置初值
　　
　　MOVTL1，#ACH；
　　
　　SETBTR1；啟動T1定時器開始計時
　　
　　Y2：JBCTF1，Y3；判別T1定時器計時50mS到否，到則轉(zhuǎn)Y3
　　
　　AJMPY2；50mS未到，則繼續(xù)
　　
　　Y3：DJNZ30H，Y1；判別定時0.1秒到否，未到則繼續(xù)
　　
　　CLRTR0；定時0.1秒到，清T0、T1溢出標志
　　
　　CLRTR1；
　　
　　MOV7BH，TH0；將測量的頻率值存放在7AH、7BH內(nèi)存中
　　
　　MOV7AH，TL0
　　
　　在單片機進行頻率采樣的時候，首先通過多路控制開關輸出某溫度測量信號的地址值，然后進行溫度的測量。
　　
　　3．測量信號的處理
　　
　　3．1熱敏電阻的線性化處理
　　
　　熱敏電阻的電阻值與溫度存在嚴重的非線性關系，當頻率信號進入單片機CPU后，就可以應用軟件的方法，例如zui小二乘法，實現(xiàn)對熱敏電阻的非線性校正。實踐證明，使用這種方法，在-20～80℃的范圍內(nèi)，其測量誤差可小于0.2℃。
　　
　　3．2數(shù)據(jù)的濾波處理
　　
　　在單片機測量到溫度信號以后，還需要對檢測信號的濾波處理，減少測量過程中的干擾，zui簡單的方法是算術平均法。對N個采樣值，尋找一個Y值作為本次檢測的有效值，使Y值與各采樣值之間的偏差的平方和為zui小，在具體應用中，N值不宜太大，溫度測量取N=5-10為好，既保持一定的靈敏度，又有恰當?shù)钠交?。計算方法為?br />　　
　　Y=（X1+X2+….+XN）/N，式中X1、、、、X2、、….XN為N次檢測量
　　
　　實踐證明用這種方法能正確測量溫度值。在獲得正確的測量值后，還需要將它轉(zhuǎn)換成相應的實際溫度值。
　　
　　4．提高測量精度的幾個措施
　　
　　4．1頻率信號的穩(wěn)定性
　　
　　在圖1中，R1、C1的熱穩(wěn)定性直接影響555時基集成電路的輸出頻率，要選擇溫度系數(shù)小的金屬膜精密電阻，C1采用CBB22的電容。R1、C1、555時基集成電路要經(jīng)過高、低溫老化穩(wěn)定后使用。每一路用精密電阻箱模擬熱敏電阻的溫度變化，測量實際的電阻-頻率的數(shù)據(jù)輸入單片機，作為測量、計算的依據(jù)。
　　
　　4．2多路信號的輸入
　　
　　為了克服由于555時基集成電路性能的離散性造成輸出頻率的誤差，多路熱敏電阻使用同一個R1、C1、555時基集成電路。各個熱敏電阻通過單片機控制繼電器來選擇信號的輸入。
　　
　　4．3熱敏電阻形狀的影響
　　
　　熱敏電阻的體積非常小，因此可以制造成各種形狀，有柱狀、珠狀、針狀、平面等，以適合不同的測量要求。應該選擇合適形狀的熱敏電阻，使測量值能夠準確地反映被測量的溫度值。對那些需要快速測量的場合，應該盡量選擇體積小反應快的傳感器，否則也會造成測量上的誤差。
　　
　　4．4傳感器一致性的影響
　　
　　傳感器的一致性差，會引起很大的測量誤差。熱敏電阻在作為精密的溫度傳感器使用，應該選擇產(chǎn)品的互換性在0.1%以上，它的互換精度能夠達到0.025℃。
　　
　　4．5溫度的標定
　　
　　在一定溫度下熱敏電阻的阻值是已知的，因此可以用電阻箱（例如旋轉(zhuǎn)式電阻箱ZX31）來模擬溫度的變化，使555電路的輸出頻率值符合要求。由于單片機的程序在計算方法和定時時間上會產(chǎn)生一些誤差，用zui小二乘法求得的模擬公式也會產(chǎn)生誤差，這些都會直接影響測量的精度。所以在驗證測量電路準確無誤的情況下，再檢查驗證單片機能否計算出準確的溫度值，如果有誤差，必須仔細檢查程序，修改相關的語句，直到準確為止。
　　
　　在完成上述工作的基礎上，用精密恒溫槽，在-20-+80℃的范圍內(nèi)，設置5、6個溫度點，檢查熱敏電阻在這些溫度點的電阻值是否符合要求，然后把熱敏電阻的引線接到電路里，把熱敏電阻放在精密恒溫槽內(nèi)，觀察在各個溫度點上單片機的顯示值是否符合要求。如果符合要求，標定工作結(jié)束。
　　
　　5．結(jié)束語
　　
　　在多點溫度測量系統(tǒng)的設計中，充分發(fā)揮了單片機的計算與線性化的作用，應用555時基電路的電阻-頻率特性，以十分簡單的電路得到高精度的溫度測量效果。
　　
　　本文作者的創(chuàng)新點：本測量系統(tǒng)的設計巧妙地將熱敏電阻的溫度-電阻變化應用于555時基電路，使單片機的A/D轉(zhuǎn)換采用頻率采樣法，簡化了電路，又提高了測量的精度。由于熱敏電阻的靈敏度高，電阻值大，熱敏電阻可以直接使用普通導線，測量距離達200米左右，這是其他傳感器難以實現(xiàn)的；由于只用一個555時基電路，使集成電路的離散性影響降到zui低，并且大大降低了硬件的成本。