新型溫度檢測電路設計研究

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1.引言

在制造業當中溫度檢測在多個方面都具有較為重要的應用，但傳統溫度檢測電路在功耗、精確性等方面都存在著較大缺陷，逐漸無法滿足工業生產實際需求。基于此種情況，本文設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原理的新型數模轉換器而設計的，能夠有效簡化濾波電路，從而實現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據顯示電路：物聯網技術，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點所需的時間與模擬輸入電壓成比例。

2.電路設計分析

在進行該溫度檢測電路設計時選擇LPC768單片機為設計控制芯片，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封裝當中增設了多種通信端口以及監控端口，通過這種設計模式能夠有效降低系統整體造價，且滿足低電壓、低能耗的使用需求。同時為了滿足該系統觸發輸入需求并簡化定時器設計，為系統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。該單片機中共計設計了8個轉換器，其中有4個轉換器為PO接口，這四個接口可以作為獨立的A/D轉換輸入。綜合權衡供電系統、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，從圖中可以發現RT為一款熱敏電阻，該電阻最大的優勢在于其靈敏性較高，在實際檢測過程中能夠實現對溫度的精準測量。從上式(3)中可以發現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，電氣火災信號檢測方法及硬件電路設計，

3.溫度測量誤差解決分析

（1）電容殘留電壓對測量結果的影響。電容器放電殘留電壓會對溫度測量的結果產生定量影響。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現時間檢測對于溫度測量的精確性具有直接影響。在設計中充電時間的檢測往往通過中斷定時器定時來實現，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待測溫度的具體數值增加一個線性的充電實現修正誤差值，具體為2～6us。

（3）熱敏電阻本身的特性對計算結果精準性的影響。熱敏電阻是該檢測電路的重要元器件，由于工業生產所存在的誤差，熱敏電阻所測得的真實誤差往往并非是完全精準的。基于此種情況，在本文的研究當中選擇了質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.電路的參數選擇

由于電容殘留放電對檢測結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，嚴重時甚至會出現損壞現象。因此，在該電路當中選擇在電容與單片機之間增設一個100Ω電阻（宋易，唐杰，劉白楊，李冬，張開炬，盛立春，基于STM32的蓄電池狀態檢測系統設計：電子測試，2018）。整個系統的充電時間約等于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。為了確保充電的精確度，也可以對電路電容值進行適當調整，例如若待測電路的環境溫度相對較高則可以選擇電容值相對較大的電容。

5.程序設計

該系統設計為每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果。為了簡化數據處理結果，在計算表格中采用十六進制整數來表示相關數值。由于系統的精度按照1℃來表示，因此整數單位則設定為0.5℃，既0℃用0表示，而0.5℃則直接用1來表示。經過這種十六進制的轉化之后則溫度能夠全部轉化為純字符。根據實際溫度測量需求，該電路中所測量的溫度范圍為0～99℃，按照以上需求，經計算機處理之后即可得到具體計算數值。同時為了簡化插值計算難度，將基數表中的每一項數據均減去下一項，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的開發與設計：自動化與儀器儀表，2018）。查表子程序：在得到完整的表格之后，還應根據具體的測算結果，求得段內偏移量與區間增量，即根據計算差值來計算溫度的具體數值。該子程序是通過所測得的兩個不同溫度下所對應的充電方程來確定待測系數，并根據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，從圖中可以發現，該程序首先需要初始化定時器與比較器，最后再觸發定時器，讀取充電時間，實現電容放電，以便進行下一次充放電檢測，同時結合查表計算結果來確定具體檢測結果。

6.結語

傳統溫度檢測電路在功耗與精準性方面往往存在諸多問題，為了滿足工業實際應用需求，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計，以熱敏原件為基本元器件，實現了對溫度的精確測量。

作者：黃濤 單位：貴州輕工職業技術學院