基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计

2009燕 第3期 仪表技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor 2009 No．3 基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计 倪秀辉，张琳琳，任国兴 (山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266001) 摘要：针对快速响应高精度测温的要求，提出了一种基于MSP430F2013单片机的热敏电阻高精度测温 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。利用单 片机片上加ppm(1ppm=10。6)电压基准和16位A／D，辅助以非平衡电桥和过采样的方式，能实现高灵敏度的热敏电阻 信号激励和数字化；通过多项式拟合的方法矫正非线性能使系统获得测温高精度。所完成的测温系统具有集成度高、测 温精度高、功耗低、对分立器件要求低的特点。 关键词：热敏电阻；高精度；温度测量；MSP430 中图分类号：TP212．6 文献标识码：B 文章编号：1002—1841(2009)03—0100—02 DesignofHighPrecisionThermistorTemperature MeasurementBasedonMSP1430I屹013 NIXiu—hui，ZHANGLin-lin，RENGuo-xing (InstitutionofOceanographicInstrumentation，ShandongAcademyofSciences，Qingdao266001，China) Abstract：Aimingattherequirementoffast-responsehigh-precisiontemperaturemeasurement．thispaperpresented8ther- mislnrtemperaturemeasurementschemebasedontheMSP430microcontrolhrMSP430F2013．ThermistorsignalWasexcitedand digitizedwiththeon—chip20ppmvoltagereferenceand16bitADC．Usingratiometricoperation，over-samplingmethodand3-order polynomialfittingcalculation，thesystemrealizedhi}sh—resolution，highaccuratetemperaturemeasurement．Thisdesignhasthefea- tureofsimplestructure，lowcostimplementationandlowpowerconsumption． Keywords：thermistor；highprecision；temperaturemeasurement；MSP430 O引言 测温电路通常需要恒压或恒流源、A／D转换器和高精度运 放。当测量精度要求较高时，复杂的调理电路和高位数的A／D 转化器使成本和功耗上升。随着电子技术的发展，出现很多低 功耗大规模集成电路，其片上带有多种外设模块可以形成集成 解决方案，为设计低功耗高精度测温系统提供了硬件基础⋯。 利用MSP430F2013的片上16位A／D和18ppm(1ppm= 10“)电压基准，辅助以非平衡电桥和过采样的方式，能实现高 精度的热敏电阻信号激励和数字化。所完成的测温系统具有 集成度高、精度高、功耗低、对分立器件要求低的特点。 1热敏电阻和其测温硬件电路设计 高精度温度测量通常可以使用RTD和高精度热敏电阻实 现。RTD(尤其是铂电阻)具有卓越的重复性和稳定特性；热敏 电阻互换性不好，阻值随温度变化的线性度也很差，但其灵敏 度很高，响应速度很快，尤其是珠状玻封热敏电阻，这种特性在 一些特殊应用中是有价值的(如海水温度剖面测量)。 在温度采集应用中，需要高分辨率A／D变换器把测量电路 所含热敏电阻产生的信号进行数字化。MSP430是16位单片 机，其F20XX系列具有超低功耗和最高16MIPS的运行速度， MSP430砣013(文中简称['2013)内部有功能强大的SDl6一A(增 强16位的乏．△ADC)模块，集成程控增益放大器(PGA)和温 漂18ppm的1．2V参考电压口J，适合做低功耗智能传感器信号 收稿日期：2008一01—15收修改稿日期：2009—01—12 采集和处理MCU． 系统利用MSP430F2013进行智能数据采集，从前端传感器 采集来的数据经过程控增益放大器进行放大，随后进入模数转 换器进行模数转换，转换完成后进行滤波和校正计算最终获得 温度结果。 图1是系统电路图。F2013片上1．2V电压基准的特点是 低温漂18ppm，配置内部缓冲后其1mA的输出电流能力也足 够用于激励热敏电阻电桥。该电压基准既为AVD变换器产生 基准，同时用于激励热敏电阻电桥，以形成比值测量系统，因为 比值工作，所以消除测量系统中的漂移误差，该方法是完全比 值，电压源变化不降低系统性能¨J。 图1系统硬件电路图 电路中3个电阻器与热敏电阻氏构成一个单臂电桥，电桥 的作用在于激励出热敏电阻差分电压信号。设计中冠。、坞、玛 均采用7．5K(1／1000)25ppm的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 精密金属膜电阻，热敏电 万方数据 第3期 倪秀辉等：基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计 101 阻阻值3—15Q变化会形成约一0．25～+0．20V的差分信号 输出。当SDl6．A工作在内部电压基准、增益为2的差分输入 模式时，F2013适用±0．25V的输入信号范围，通过乏一△ADC 的过采样技术系统能达到所需的斗V级测量分辨率。 F2013的SDl6一A模块不带输入缓冲，其差分输人阻抗在 PGA增益等于2时约为250kQ，直接测量输出阻抗为kQ级的 电桥输出时，会造成mV级的测量偏差。为提高测量精度，要在 外部提供输入缓冲。缓冲运放选用低噪低温漂双运放HJ。 系统对前端模拟电路分立器件要求不高，选择温漂、时漂 小的元器件可以提高系统整体稳定性，各种容差可在单片机软 件中进行校正。同时系统具有低功耗的特点，当运行在IMHz 的时钟条件下，F2013工作电流为220雌，其内部的SDl6A模 块和参考电压模块耗电小于1．5mA(采样时峰值电流)。由于 间断休眠的运行方式降低了系统耗电，系统连续采样温度整体 运行功耗(包括前端电路)小于1mA，适合电池供电的连续温 度采集应用。 2 STEINHART-HART方程和测温电路的校正方法 NTC热敏电阻，其阻值随着温度升高而迅速减小，阻值和 温度的关系近似于指数关系。使用一些建模技术可以将NTC 的热敏电阻的精度调制得很高”j。麻省科德角伍德修尔海洋 学研究所工作的2名海洋学家在海洋研究中为了得到精确的 温度测量方法，通过累试法加上数字直觉，得出 I／T=A+B(1nR)+C(1l氓)3(1) 式中：T指开氏温标的绝对温度；A、B、C是热敏电阻常量参数； R是热敏电阻的欧姆电阻值．1n是自然对数。 式(1)即为以2位科学家命名的Steinhart—Hart方程，三阶 方程可以在0—100℃的测温范围内达到±0．001℃曲线拟 合”J。A、日、C系数必须先根据3个校准点确定，它们是在有关 温度量程低端、中点、高端的电阻值。将每对电阻一温度值都插 入到公式中，产生一组3方程联立方程式，解联立方程就可得 到A、B、c该设计中使用MFSI高精度热敏电阻，温漂为0．002 ℃／年，其三阶Steinhart—Hart方程R—T模型曲线如图2所示，并 给出了18个实测点和曲线拟合误差。 0 芒 阜 基 雹 硼 蕾 最 p 各 = 涮 蝼 删 囊 矿℃ 圈2所使用的MFSl高精度热敏电阻R-T特性曲线 用一等标准温度表测得摄氏温度，用6位半数字表测得此 温度下热敏电阻的阻值，在0—40℃温度范围内，18个实测点 的温度与曲线点最大温度误差为0．026℃，可见方程拟合精度 高于0．03℃．使用更高分辨率的温度测量设备和更高精度的 阻值测量设备，还可以获得更高校正精度的尺一r模型曲线。 3阶Steinhart-Hart方程转化计算得到每个ADC量值与温 度值对应关系，如图3所示。图中圆点表示实测所得温度和 ADC量值对应点。 围3 ADC■值与温度对应曲线 实际电路中元器件的非理想特性造成了实测点与理论值 的小量偏差，系统的主要误差源有电桥电阻的容差和温漂、 SDl6模块的误差和温漂以及缓冲运放失调电压等。选用高_A 精度的电路元器件和硬件校正措施可以将偏差减小，但必然会 造成成本的上升。 软件校准是另一种可行的方法：根据实测点计算出拟合函 数公式(三阶多项式就可以达到0—40℃温度范围内小于 o．01℃的拟合精度)，然后在MCU中用此拟合函数计算所测得 ADC量值对应的温度值。该方法虽然需要测取大量温度和所对 应ADC量值，但它使得系统最终测温精度依赖于后期校正工作， 而不是依赖于高精度的电路元器件。用一等温度计测得93个数 据点获得三阶拟合函数可使系统测温误差小于±0．1℃，低温漂 的电桥电阻和低噪双运放就可以保证系统最终测温精度为o．1 ℃．同时MSP430单片机具有较强的运算能力，采用浮点运算实 现三阶多项式拟合并不耗费系统过多资源。 3系统软件设计 采用c语言对单片机编程，主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图4所示：主 程序初始化部分主要是系统时钟的初始化，使系统工作频率为 DCO指定的标准lMHz时钟；通过SDl6相关寄存器，设定 SDl6工作在开中断连续采样模式、选择差分通道并设内部增 益为2倍；最后打开1．2V内部参考电压为外部电桥供电。在 lmin延时等待输出信号稳定后，打开SDl6A开始采样，系统进 入休眠模式，等待SDl6A完成256次采样并退出休眠模式。最 后将得到的ADC量值通过三阶拟合函数运算得到温度值。 MCU循环完成该过程，连续得到温度值。SDl6A可以达到 4K的采样速度，但是过采样需要256次结果(下转第120页) 万方数据 120 InstrumentTechniqueandSensor Mar．2009 ∑sin(t／366693)[／(sin(t／366693)一A]-0 根据上式求得K的数值： K=∑Asin(t／366693)／Esinz(t／366693) (6) 获得K的计算式(6)后，代入表l中波长A和步进脉冲t的实 测数据，求得 K=l585 最后确定波长标定公式为： A=1585sift(t／366693) (7) 为验证波长标定公式的拟合效果，使用不同的步进脉冲t。 代入到式(7)中，计算对应谱线的波长A，这些数值可以绘制出 拟合曲线如图3所示。图中上半部分是拟合曲线，同时标出了 实测数据点的位置；图中下半部分是拟合残差的分布情况，从 中可以看出，所有5条谱线的拟合偏差都小于0．1nnl． 600 ．1400 喾2()o 0 0．2 暑0．1 姜0 魍一0．1 -0．2 2 4 6 8 10 1214 步进脉冲数，10‘步 (a)正弦拟舍曲线 0 2 4 6 8 10 12 14 步进脉冲数，10．步 (b)拟合残差分布 图3正弦曲线拟合及其残差 得到了波长标定式(7)以后，可以把这个函数关系式写入 到仪器的测量程序中，便可以进行正常的光谱测量了。这些是 对1200／mm光栅所进行的标定工作，随后，又对600／mm光栅 进行了类似标定。曾经使用多种光源，经过了多次测试，绘制 了多条光谱曲线，对标定过程进行检验。实验结果达到预期要 求，标定精度满足仪器设计精度要求。 4结束语 针对自动单色仪这种测量仪器的实际结构，进行了技术分 析与实验验证，充分表明正弦曲线拟合标定技术是一种很好的 技术方案。这种方法的标定方程符合光栅的理论方程，无需太 多的标定点就可以满足仪器的测量精度要求。由于待定参数 选择适当，大幅度减少拟合运算过程中的计算复杂性，计算量 与线性拟合相当。基于上述优势，可以预见，这种正弦拟合标 定技术会获得广泛应用。 参考文献： [1]徐海松，叶关荣．快速光谱光度计的研制．仪表技术与传感器， 1996(10)：20—21． [2]邓世虎，张荣君，倪卫明，等．智能化多光栅单色仪的研制．上海 红外与毫米波学报．2002，21(S)：133—137． [3]沈杭城，潘建根，冯华军，等．多通道快速光谱仪的波长定标．光 学仪器，2006，28(2)：51—55． [4]KINGSLAKER．AppliedOpticsand叫calEngineering．NewYork andlondonAcademicPress，1969，Chapter2：Diffractiongratings． [5]陈光。任志良，孙海柱．最／b--乘曲线拟合及biatlab实现．软件技 术，2005，24(3)：107—108． 作者简介：乔道鄂(1963一)．工学博士。主要从事机电系统测量与控制 方面的研究。E—mail：qiaodaee@grn矗il．c,olfla (上接第101页) I 开始 )i 初始化 系统时钟 黼群块 二]二二 延时1mill 等待电桥稳定 启动一次测温 并进人休眠， 等待sDln_A模块 完成采集唤醒 将采到的AD值通 过三阶拟合修正 和校正运算得到 温度值 结束 (a) (黼)＼中断入口／ 卜——一 I采样ADr值(通过2 1次读取MEM和移位 l获得18位ADC值)， l并将值加入ADtemp 审 将ADtemp值除 256井写入 Adresult 关闭SDl6_．A 退出休眠 I (槲淼) (b) 圈4程序流程圈 取平均，系统最终采样速度约为13Hz，能够有效克服因偶然因 素引起的波动干扰，提高采样精度，尤其适用于温度等变化较 缓慢的物理量。 4结束语 该系统硬件设计简单，采用具有很高的集成度的MCU芯 片MsP430F2013为核心，片上完成信号放大、A／D转换、软件滤 波和非线性校正，实现了低成本高精度测温。具有对分立器件 要求低、低功耗等特点。对热敏电阻高精度测温应用开发具有 一定的参考价值。系统温度分辨率超过0．001℃，系统测温误 差小于±0．1℃，实际设计中如果采用更高精度和分辨率的温 度标定设备和用更多的数据点计算高阶拟合函数，系统会达到 更高的精度。 参考文献： [1]赵志诚．国家传感器科技攻关和技术发展．仪表技术与传感器， 2000(8)：1—3． [2]TexasInstrumentshe．MSP430F20X3MixedsigmaMierocontroller Datasheet[EB／OL儿2006-07-09]http：／／www．ti．corn／． [3]GRADYAO’．热敏电阻结合高分辨∑AA／D变换器测量温度 [EB／OL]．[2005—08—01]http：／／www．analog．tom／． [4]LEPKOWSIJ．嵌入式应用的温度测量电路[EB／OL]．[2006—07 一09]http：／／www．microehip．coin． [5]ATPINC．19l'Cthermistorengineering110t髑[EB／OL]．[2006一lO— 01]http：／／www．atpsensor．tom／． 作者简介：倪秀辉(198l一)，硕士研究生，主要研究方向为海洋仪器和 智能仪表。E-mail：nixiuhui@small．P_,om 万方数据 基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计 作者： 倪秀辉， 张琳琳， 任国兴， NI Xiu-hui， ZHANG Lin-lin， REN Guo-xing 作者单位： 山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛,266001 刊名： 仪表技术与传感器 英文刊名： INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR 年，卷(期)： 2009(3) 被引用次数： 7次 参考文献(5条) 1.赵志诚 国家传感器科技攻关和技术发展[期刊论文]-仪表技术与传感器 2000(08) 2.Texas Instruments Inc MSP430F20X3 Mixed Signal Microcontroller Datasheet 2006 3.GRADY A O' 热敏电阻结合高分辨∑AA/D变换器测量温度 2005 4.LEPKOWSI J 嵌入式应用的温度测量电路 2006 5.ATP INC NTC thermistor engineering notes 2006 本文读者也读过(10条) 1. 范寒柏.谢汉华.FAN Hanbai.XIE Hanhua 基于NTC热敏电阻的三种高精度测温系统研究[期刊论文]-传感技术学 报2010,23(11) 2. 任国兴.王晓影.杜立彬.REN Guo-xing.WANG Xiao-ying.DU Li-bin 基于AD7799的热敏电阻高精度测温系统[期 刊论文]-电子设计工程2010,18(11) 3. 杨小玲 热敏电阻分压测温电路的最佳参数设计[期刊论文]-福州大学学报(自然科学版)2003,31(1) 4. 黄劲松.田开坤.Huang Jinsong.Tian Kaikun MSP430单片机的热敏电阻温度测量[期刊论文]-单片机与嵌入式系 统应用2009(4) 5. 李波.陈光华.徐行.吴来杰.罗贤虎.LI Bo.CHEN Guang-hua.XU Xing.WU Lai-jie.LUO Xian-hu 基于热敏电阻的 多通道高精度温度测量系统[期刊论文]-仪表技术与传感器2008(5) 6. 冯荣达.曹柏荣.FENG Rong-da.CAO Bai-rong 基于热敏电阻的多点温度测量系统[期刊论文]-微计算机信息 2008,24(11) 7. 郭宝亿.谭宝成.张峰.GUO Bao-yi.TAN Bao-cheng.ZHANG Feng 基于ARM的热敏电阻测温模块设计[期刊论文]-西 安工业大学学报2009,29(4) 8. 邱晓波.单东升.杜峰.QIU Xiao-bo.SHAN Dong-sheng.DU Feng 热敏电阻温度测量的对数优化曲线拟合法[期刊 论文]-仪表技术与传感器2008(6) 9. 李震春.曾卫东.陈旭.LI Zhen-chun.ZENG Wei-dong.CHEN Xu 热敏电阻电桥温度计二步线性化方法的实验研究 [期刊论文]-大学物理2008,27(8) 10. 赵汉宾.和卫星.吕继东.吴慧雅.Zhao Hanbin.He Weixing.Lv Jidong.Wu Huiya 低功耗高精度体温计设计[期 刊论文]-计算机测量与控制2011,19(3) 引证文献(9条) 1.任国兴.王晓影.杜立彬 基于AD7799的热敏电阻高精度测温系统[期刊论文]-电子设计工程 2010(11) 2.范寒柏.谢汉华 基于NTC热敏电阻的三种高精度测温系统研究[期刊论文]-传感技术学报 2010(11) 3.任国兴.王晓影.杜立彬 高精度快响应海洋测温系统设计[期刊论文]-仪表技术与传感器 2011(2) 4.赵汉宾.和卫星.吕继东.吴慧雅 低功耗高精度体温计设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2011(3) 5.刘孟德.贺海靖.杜立彬 高精度温度测量电路设计[期刊论文]-山东科学 2012(2) 6.焦冰.叶松.温雅婷 MSP430低功耗原理及其在海温测量中的应用[期刊论文]-现代电子技术 2011(10) 7.尤小泉.王勇.王飞 TI MSP430单片机在培养学生创新能力中的应用[期刊论文]-成都电子机械高等专科学校学报 2012(3) 8.侯键.丁强.姜周曙 基于新型通信方法的模拟量采集板卡的设计与实现[期刊论文]-机电工程 2011(3) 9.张银桥.赵博.王辉.毛文华.张小超 基于固定光栅和CCD技术的近红外光谱分析系统设计[期刊论文]-农业工程学 报 2009(9) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ybjsycgq200903036.aspx