基于LM3S101處理器的溫度測量模塊設(shè)計

張 峰， 石現(xiàn)峰 ， 張 妮

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電信學(xué)院 陜西 西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院 陜西 西安 710025）

溫度信息是各類監(jiān)控系統(tǒng)中主要的被控參數(shù)之一，溫度采集與控制在各類測控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，在溫度測量領(lǐng)域，ARM處理器以其高性能、低成本得到了廣泛應(yīng)用。以Luminary公司生產(chǎn)的32位ARM處理器LM3S101為核心，以熱敏電阻為溫度傳感器，并通過引入RC充放電電路以及對熱敏電阻測溫曲線的分段線性化處理，實現(xiàn)了一種成本低、測溫精度高的溫度測量模塊設(shè)計方案。經(jīng)實際測量實驗，這種設(shè)計方案在整個測溫范圍內(nèi)能夠達到較高測溫精度，且模塊通用性強、成本低且應(yīng)用廣泛。

1 測溫模塊硬件原理

1.1 溫度信息的獲取

實現(xiàn)溫度的檢測需要使用溫度傳感器。溫度傳感器種類很多，熱敏電阻器是其中應(yīng)用較多的一種，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、熱慣性小、體積小、阻值大及價格便宜等特點，廣泛應(yīng)用于溫度測控領(lǐng)域[1]。熱敏電阻應(yīng)用于溫度檢測，最核心的一個工作就是要比較精確地獲取熱敏電阻的阻值變化。常見的處理方式是通過外加電源，把熱敏電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，再通過A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后將數(shù)字量傳送給處理器進行處理。這種方式硬件電路設(shè)計及數(shù)據(jù)處理相對麻煩，成本較高，并且所獲取的熱敏電阻阻值精度受電源穩(wěn)定性和A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)限制，一般比較低，對測溫精度造成較大影響。同時，由于熱敏電阻的非線性，為提高測溫精度通常還需要附加較復(fù)雜的補償電路。在設(shè)計中，為解決這一問題，將RC充放電采樣方式引入到熱敏電阻的阻值測量中，將阻值轉(zhuǎn)換為電容的充放電時間進行檢測，原理如圖1所示。

圖1 熱敏電阻阻值獲取原理Fig.1 Acquistion principle of thermal resistor’s resistance

圖1中，P1.0、P1.1和P1.2均是處理器的通用 I/O口，RF為精密參考電阻，RT為檢測溫度的熱敏電阻，RS為0.1 kΩ普通電阻；C為0.1 μF普通電容。

實現(xiàn)熱敏電阻阻值獲取的步驟及原理如下：1）先將端口P1.0、P1.1、P1.2都設(shè)為低電平輸出，使電容C完全放電。2）將P1.1、P1.2設(shè)置為輸入狀態(tài)，P1.0設(shè)為高電平輸出，通過電阻RF對C充電，處理器內(nèi)部計時器清零并開始計時，檢測P1.2口狀態(tài)，當P1.2口檢測為高電平時，即電容C兩端的電壓達到處理器I/O口高電平輸入的門嵌電壓時，計時器停止計數(shù)，記錄下從開始充電到P1.2口檢測到高電平的時間T1。3）將P1.0、P1.1、P1.2再次設(shè)為低電平輸出，使 C完全放電。4）再將P1.0、P1.2設(shè)置為輸入狀態(tài)，P1.1設(shè)為高電平輸出，通過熱敏電阻RT對C充電，再進行步驟2）相同的過程，記錄下時間T2。

熱敏電阻的阻值由T1和T2確定。RC充放電電路中，電容C兩端的電壓確定為：

由上述過程可得：

簡化式（2）即可得到熱敏電阻的阻值：

由式（3）計算出熱敏電阻阻值后，通過熱敏電阻測溫曲線，即可把阻值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值，實現(xiàn)溫度信息的獲取。

1.2 處理器的選型

處理器是整個測溫模塊的控制及數(shù)據(jù)處理的核心。特別是在本設(shè)計中，由于熱敏電阻的阻值需要直接由處理器進行檢測，其性能會對測溫效果、精度、數(shù)據(jù)處理速度等產(chǎn)生較大影響。綜合處理器速度、性能與價格的考慮，選用ARM處理器LM3S101。LM3S101是基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的控制器，該器件是32位處理器，采用哈佛架構(gòu)、Thumb-2指令集，主要特點[2]如下：1）具有 32位 RISC 性能；2）具有 2個內(nèi)部存儲器，內(nèi)部集成了8 KB單周期的Flash ROM，2 KB單周期的SRAM；3）具有2個32位的通用定時器，其中每個都可配置為1個32位定時器或2個16位定時器，同時還有遵循ARM FiRM規(guī)范的看門狗定時器；4）具有同步串行接口SSI，和UART串行接口，具有很強的信號傳輸功能；5）2～18個GPIO端口，可編程靈活配置；6）時鐘頻率達到20 MHz。

除此之外，該款處理器由于采用CortexTM-M3內(nèi)核，支持單周期乘法運算，這在測溫數(shù)據(jù)處理時會有較高的數(shù)據(jù)處理速度與效率。同時，該處理器成本低。

1.3 影響測溫精度的主要因素

由于采用RC充放電的方式獲取熱敏電阻阻值，因此整個測溫模塊所需外圍元件很少，熱敏電阻阻值獲取的精度是影響模塊測溫精度的主要因素之一。由熱敏電阻阻值獲取原理可以看出，影響測溫精度的主要因素有：1）參考電阻RF的精度；2）熱敏電阻RT的精度；3）處理器內(nèi)部定時器的位數(shù)與精度。處理器工作頻率越高，定時器位數(shù)越大，則處理精度越好。

阻值獲取的精度是與處理器的輸出電壓值、門限電壓值、電容C的精度、電阻RD的精度無關(guān)的，因此只要合理選擇處理器和高精度的RF與RT，就可以使熱敏電阻阻值的測量有較小的誤差。為保證測溫精度，熱敏電阻RT選用標稱值為 10 kΩ（或 100 kΩ），B 值為 3 950，1%精度熱敏電阻，參考電阻RF選用10 kΩ（或100 kΩ），1%精度的金屬膜電阻。

1.4 模塊硬件電路設(shè)計

以ARM處理器LM3S101為核心，結(jié)合上述熱敏電阻阻值獲取原理，給出該測溫模塊核心部分電路原理圖，如圖2所示。

圖2 模塊核心部分原理圖Fig.2 Schematic diagram of main part of the unit

由圖2可看出，按上述的電容充放電熱敏阻值檢測原理進行硬件設(shè)計，核心部分電路較為簡潔，避免了傳統(tǒng)方式中A/D器件的應(yīng)用，達到了簡化硬件電路設(shè)計，降低硬件成本的目的。同時，這種設(shè)計又不過多占用處理器的I/O端口，對處理器資源的占用也較少。由于這種方式在阻值獲取時需處理器具有較高的計數(shù)精度，而在阻值到溫度值轉(zhuǎn)換時需處理器具有較強的運算能力，因此選用LM3S101進行核心處理，其20 MHz的時鐘頻率及ARMCortex-M內(nèi)核集成的硬件乘法單元對此有很好的保證。電路圖中，其他部分簡要說明：SP6201是集復(fù)位功能于一體的低壓差線性穩(wěn)壓（LDO）器，將5 V電源轉(zhuǎn)換為處理器LM3S101所需的3.3 V，同時產(chǎn)生處理器工作所需的復(fù)位信號。電阻 RF、RT、RS和電容 C6構(gòu)成RC充放電電路，用以實現(xiàn)熱敏電阻阻值的檢測，與處理器通過PA2、PA3、PA4 3個GPIO接口相連。LM3S101的10和11引腳使用其UART功能，連接至電平轉(zhuǎn)換電路，以實現(xiàn)模塊通過串口的通信及溫度數(shù)據(jù)發(fā)送功能。

2 數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計

2.1 熱敏電阻測溫曲線的線性化處理

熱敏電阻的測溫曲線反映了熱敏電阻阻值與被測溫度值之間的關(guān)系，由Steinhart-Hart方程確定：

式中，RT是熱敏電阻在T1溫度下的電阻值；R是熱敏電阻在常溫T2（T2=25℃）下的標稱電阻值；B值是熱敏電阻的材料常數(shù)；T1和T2為開爾文溫度。

由Steinhart-Hart公式可知熱敏電阻的阻值溫度特性曲線是一條非線性的指數(shù)曲線，直接使用該方程運算量大并且編程麻煩，需要進行線性化處理。由于該方程非線性程度較大，同時阻值到溫度值的轉(zhuǎn)換也是影響測溫精度的主要原因之一，為使線性化處理不至于帶來較大的誤差，線性化過程進行了以下特殊處理：

1）如果用一條直線代替該指數(shù)測溫曲線，則不管采用什么樣的線性化處理方法，誤差都比較大。為解決這一問題，在整個測溫范圍之內(nèi)對該曲線進行了分段的線性化處理，使誤差能夠控制在合理的范圍內(nèi)；

2）分段線性化時，對測溫曲線的分段采用非等間隔分段，在曲線非線性程度較小的區(qū)域內(nèi)采用5℃分段間隔，在曲線非線性較為嚴重的區(qū)域內(nèi)，采用較小的1℃分段間隔，以減小處理誤差；

3）在每一段測溫曲線的線性化處理中，采用最小二乘法確定直線方程，以減小直線擬合的均方誤差。

實測結(jié)果證明，采用上述的線性化處理方法，可以有效提高處理精度，大大減小線性化處理的誤差，保證測溫的精度要求，同時運算速度也能得到保證。

2.2 測溫數(shù)據(jù)的濾波處理

測溫模塊工作過程中不可避免會受到噪聲干擾。為減少測溫過程中噪聲干擾信號，特別是突發(fā)噪聲的影響，提高測溫模塊的工作穩(wěn)定性，需要結(jié)合濾波算法對測溫數(shù)據(jù)進行濾波處理[3]。這里采用簡單的加窗平滑低通濾波的方法，即連續(xù)測量N個值，取平均后作為測量的有效值，即：

在具體的應(yīng)用中，N越大對數(shù)據(jù)的平滑越好，但N過大會降低測溫的速度和靈敏度。經(jīng)實際試驗，選擇N=5～10之間較為合適，可在計算速度和平滑濾波效果之間取得較好平衡，實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的測溫要求進行合理設(shè)置。

2.3 測溫模塊的軟件設(shè)計

以上述的數(shù)據(jù)處理思路為基礎(chǔ)，結(jié)合串口通信編程及必要的初始化處理工作，即可進行測溫模塊的軟件設(shè)計。完成一次溫度測量及測溫結(jié)果傳輸?shù)闹髁鞒倘鐖D3所示。

圖3 測溫模塊軟件設(shè)計流程圖Fig.3 Flow chart of temperatue measuement unit software design

整個模塊的軟件設(shè)計編程基于Crossworks1.7開發(fā)環(huán)境進行，將整個程序的核心部分劃分為4個函數(shù)進行設(shè)計，即：1）主函數(shù)，完成系統(tǒng)參數(shù)配置、端口初始化及濾波處理等功能；2）測溫函數(shù)，完成熱敏電阻的阻值獲取，并將其轉(zhuǎn)換為實際的溫度值；3）測溫結(jié)果傳輸函數(shù)，完成測溫結(jié)果通過串口的發(fā)送傳輸功能；4）串口接收函數(shù)，通過串口接收控制指令，完成測溫間隔時間、串口通信速率、平滑濾波加窗寬度、及測溫結(jié)果顯示格式等工作參數(shù)的設(shè)置。

3 測溫效果分析

所設(shè)計的測溫模塊結(jié)合精密恒溫槽進行了實際測溫效果的實驗測試。利用精密恒溫槽在-10～+80℃的測溫范圍內(nèi)，設(shè)置3個溫度檢測點，把熱敏電阻放在精密恒溫槽內(nèi)，利用該模塊進行溫度的測量。各個溫度點的溫度測量值通過串口調(diào)試工具進行觀測，實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1所示的測量數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計的測溫模塊測溫穩(wěn)定，在整個測量溫度范圍內(nèi)測溫精度基本上能夠達到0.2℃，優(yōu)于傳統(tǒng)熱敏電阻測溫采用單片機結(jié)合A/D器件的方式，同時也證明了測溫曲線分段線性化處理的有效性。

表1 實際測量數(shù)據(jù)Tab.1 Actual test data

4 結(jié) 論

本文提出了一種簡單實用、性價比高、測溫效果好的熱敏電阻溫度測量模塊的設(shè)計，所設(shè)計的測溫模塊由于對熱敏電阻阻值的獲取引入RC充放電方式，簡化了硬件設(shè)計和模塊成本；而選用32位ARM處理器LM3S101[4-5]以及數(shù)據(jù)處理所采用的分段線性化處理方式則有效保證了測溫精度與數(shù)據(jù)處理的速度。通過測溫實驗及在具體溫度測控系統(tǒng)中的使用，該測溫模塊在-10～80℃范圍內(nèi)有良好的測溫效果。在具體的模塊設(shè)計與應(yīng)用過程中，還有其他一些因素會對測溫的精度產(chǎn)生影響，若要進一步提高該方案的測溫精度，可在以下幾個方面做進一步的改進處理[6]：1）電源的穩(wěn)定性，由于采用RC充放電方式獲取熱敏電阻的阻值，系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性對充放電時間有較顯著的影響，實際設(shè)計與應(yīng)用中，采用低噪聲、高穩(wěn)定的電源有利于測量精度的提高。2）熱敏電阻形狀，熱敏電阻的體積非常小，可以制造成各種形狀，應(yīng)根據(jù)具體使用場合的不同，選擇合適形狀的熱敏電阻，使測量值能準確反映測量溫度。3）傳感器的一致性，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時，應(yīng)選擇產(chǎn)品的互換性在0.1%以上。4）計算精度，測溫數(shù)據(jù)的處理運算較為復(fù)雜，在進行處理程序編寫時，應(yīng)注意保持較高的計算精度，防止計算過程帶來較大的誤差。

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