基于热敏电阻的多点温度测量系统

0.引言

在现代农业中，许多情况下需要温度测量，用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。热敏电阻灵敏度高、稳定性好、体积小、电阻值大等特点,已广泛于温度测量和控制领域。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，在温室大棚内，温度测量精度一般在±0.5—1ºC左右，在这种情况下，,热敏电阻的引线长度在100—200米，对测量造成的误差可以忽略不计，使测量系统的电路简单、使用方便。

1.热敏电阻的测量电路

在多点温度测量系统中，热敏电阻采用温度-频率法测量框图，如图1所示。

图1温度—频率测量原理

图1中，IC1是555时基集成电路，是一个典型的无稳态多谐振荡器,IC2是AT89C52单片机。R3是555电路输出的电平上拉电阻，使输出的高电平稳定在5V，C2为抗干扰滤波电容，Rt为热敏电阻，f是频率信号输出。

其中 f="1".442695041/(C1*(R1+2*Rt ))

从上式可以看出，当C1、R1为固定值时，555时基电路的输出频率f仅仅与Rt有关,而热敏电阻的阻值Rt与测量的温度有关。因此，需要测量的温度由Rt热敏电阻转换成电阻值，通过555时基电路转换成频率信号，单片机通过P3。5(T1口)对频率进行测量，就可以计算出测量的温度值。

多路控制开关的组成与工作原理如图2所示。

图2 多路开关控制原理

在图2中，IC2 为单片机，IC3、IC4为74LS138集成电路组成，J01--J16为继电器。单片机的P1.0 – P1.2作为二个74LS138的地址，P1.3、P1.4作为二个74LS138的片选信号,单片机改变P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4的值，就可以控制继电器，使热敏电阻依次接入，进行温度信号的测量。采用继电器控制，减少了热敏电阻接入路的接触电阻，可以提高测量的精度。显示设备为5位LED数码管，2位用于显示温度信号的通道号，3位用于显示温度值，其中，2位整数，1位小数。

2.单片机的应用

单片机为AT89C52，片内有256B RAM和8KB的Flash ROM，可以反复多次改写程序，十分方便。单片机的定时器/计数器T1工作在方式1，作为16位的外部脉冲计数器，记录555电路输入的脉冲数。单片机的定时器/计数器T0也工作在方式1，作为16位定时器用，记录单片机CPU的时钟脉冲。在编写程序时，使T0的定时时间为0.1秒，通过T1在0.1秒内测量到的脉冲数，就可以计算出频率值，从而知道被测量的温度值。参考程序如下：(CPU振荡频率为12MHz)

MOV TMOD，#15H ;设置 T0为16位计数方式，T1为16位定时方式

MOV TH0，#00H ;T0计数器清零

MOV TL0，#00H ;

MOV 30H，#14AH ;循环20次，使定时时间为0.1秒

SETB TR0 ;启动T0计数器开始计数

Y1： MOV TH1，#3CH ;T1定时器设置初值

MOV TL1，#ACH ;

SETB TR1 ;启动T1定时器开始计时

Y2： JBC TF1，Y3 ;判别T1定时器计时50mS到否，到则转Y3

AJMP Y2 ;50mS未到，则继续

Y3： DJNZ 30H，Y1 ;判别定时0.1秒到否，未到则继续

CLR TR0 ;定时0.1秒到，清T0、T1溢出标志

CLR TR1 ;

MOV 7BH，TH0 ;将测量的频率值存放在7AH、7BH内存中

MOV 7AH，TL0

在单片机进行频率采样的时候，首先通过多路控制开关输出某温度测量信号的地址值，然后进行温度的测量。

3.测量信号的处理

3.1热敏电阻的线性化处理

热敏电阻的电阻值与温度存在严重的非线性关系，当频率信号进入单片机CPU后，就可以应用软件的方法，例如最小二乘法，实现对热敏电阻的非线性校正。实践证明，使用这种方法，在-20～80℃的范围内，其测量误差可小于0.2℃。

3.2数据的滤波处理

在单片机测量到温度信号以后，还需要对检测信号的滤波处理，减少测量过程中的干扰，最简单的方法是算术平均法。对N个采样值，寻找一个Y值作为本次检测的有效值，使Y值与各采样值之间的偏差的平方和为最小，在具体应用中，N值不宜太大，温度测量取N=5-10为好，既保持一定的灵敏度，又有恰当的平滑度。计算方法为：

Y=(X1+X2+….+XN)/N，式中X1、、、、X2、、….XN为N次检测量

实践证明用这种方法能正确测量温度值。在获得正确的测量值后，还需要将它转换成相应的实际温度值。

4.提高测量精度的几个措施

4.1 频率信号的稳定性

在图1中，R1、C1的热稳定性直接影响555时基集成电路的输出频率，要选择温度系数小的金属膜精密电阻，C1采用CBB22的电容。R1、C1、555时基集成电路要经过高、低温老化稳定后使用。每一路用精密电阻箱模拟热敏电阻的温度变化，测量实际的电阻-频率的数据输入单片机，作为测量、计算的依据。

4.2 多路信号的输入

为了克服由于555时基集成电路性能的离散性造成输出频率的误差，多路热敏电阻使用同一个R1、C1、555时基集成电路。各个热敏电阻通过单片机控制继电器来选择信号的输入。

4.3热敏电阻形状的影响

热敏电阻的体积非常小，因此可以制造成各种形状，有柱状、珠状、针状、平面等，以适合不同的测量要求。应该选择合适形状的热敏电阻，使测量值能够准确地反映被测量的温度值。对那些需要快速测量的场合，应该尽量选择体积小反应快的传感器，否则也会造成测量上的误差。

4.4传感器一致性的影响

传感器的一致性差，会引起很大的测量误差。热敏电阻在作为精密的温度传感器使用，应该选择产品的互换性在0.1%以上，它的互换精度能够达到0.025℃。

4.5温度的标定

在一定温度下热敏电阻的阻值是已知的，因此可以用电阻箱(例如旋转式电阻箱ZX31)来模拟温度的变化，使555电路的输出频率值符合要求。由于单片机的程序在计算方法和定时时间上会产生一些误差，用最小二乘法求得的模拟公式也会产生误差，这些都会直接影响测量的精度。所以在验证测量电路准确无误的情况下，再检查验证单片机能否计算出准确的温度值，如果有误差，必须仔细检查程序，修改相关的语句，直到准确为止。

在完成上述工作的基础上，用精密恒温槽，在-20-+80℃的范围内，设置5、6个温度点，检查热敏电阻在这些温度点的电阻值是否符合要求，然后把热敏电阻的引线接到电路里，把热敏电阻放在精密恒温槽内，观察在各个温度点上单片机的显示值是否符合要求。如果符合要求，标定工作结束。

5.结束语

在多点温度测量系统的设计中，充分发挥了单片机的计算与线性化的作用，应用555时基电路的电阻-频率特性，以十分简单的电路得到高精度的温度测量效果。

本文作者的创新点：本测量系统的设计巧妙地将热敏电阻的温度-电阻变化应用于555时基电路，使单片机的A/D转换采用频率采样法，简化了电路，又提高了测量的精度。由于热敏电阻的灵敏度高，电阻值大，热敏电阻可以直接使用普通导线，测量距离达200米左右，这是其他传感器难以实现的;由于只用一个555时基电路，使集成电路的离散性影响降到最低，并且大大降低了硬件的成本。

参考文献

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