趙學(xué)亮，魏光華，李　康

(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

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壓控精密恒流源驅(qū)動(dòng)的高精度熱敏電阻測溫系統(tǒng)

趙學(xué)亮，魏光華，李康

(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

針對野外水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查低功耗、快速、高精度測溫的要求，研制了一種采用壓控恒流源驅(qū)動(dòng)的精密熱敏電阻測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430F5438處理器為主控芯片，通過單片機(jī)片上12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，對經(jīng)由低功耗單電源壓控精密恒流源驅(qū)動(dòng)的熱敏電阻進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，并輔以最小二乘法對熱敏電阻進(jìn)行非線性校正，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度測量。試驗(yàn)結(jié)果表明：在-10～50 ℃，系統(tǒng)測量精度達(dá)到±0.02 ℃，并且具備低功耗、集成度高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

溫度；熱敏電阻；恒流源；MSP430；最小二乘法

0　引言

高精度的溫度測量廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域，在保證獲得被測物精準(zhǔn)溫度的同時(shí)，需要通過溫度對其他被測參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償和校正，確保水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。溫度的測量一般采用溫度傳感器，目前，應(yīng)用較多的溫度傳感器有數(shù)字式溫度傳感器、電流式溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器等。其中，數(shù)字式溫度傳感器和電流式溫度傳感器體積較大，難以集成應(yīng)用，主要用于對體積要求不大和分布式測溫的場合。熱電偶溫度傳感器主要應(yīng)用于高溫測量的場合，且需要補(bǔ)償導(dǎo)線以修正參考溫度。而熱敏電阻則以其靈敏度高、體積小、電阻值大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地集成到電極傳感器中，用于溫度的測量以及對電極參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償。當(dāng)前，熱敏電阻的測量方式主要包括恒壓式和恒流源式[1]。其中，恒壓式測量方法存在橋臂匹配電阻溫度漂移問題，測量精度較低[2]。本文采用負(fù)溫度因數(shù)(negative temperature coefficient,NTC)熱敏電阻，通過使用低功耗單電源壓控精密恒流源和精密取樣電阻消除了測量中的漂移誤差，利用MSP430F5438處理器及其內(nèi)置的12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的簡約化和低功耗運(yùn)行；并使用最小二乘法對熱敏電阻進(jìn)行非線性校正，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度測量，取得了顯著的應(yīng)用效果；并與項(xiàng)目研制的多參數(shù)組合式電極傳感器實(shí)現(xiàn)了集成整合，縮小了組合式電極的體積，簡化了結(jié)構(gòu)。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測溫系統(tǒng)采用低功耗MSP430F5438處理器為主控芯片，主要包括恒流源驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、信號采集電路和液晶顯示電路等部分。其中，恒流源驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)為熱敏電阻提供驅(qū)動(dòng)電流；濾波電路負(fù)責(zé)濾除干擾信號；MSP430F5438處理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部分的工作，并通過內(nèi)置的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital converter,ADC)模塊對濾波后的溫度傳感器信號進(jìn)行采集[3]，最終將處理結(jié)果顯示在液晶上。

1.1MSP430F5438處理器及ADC12模塊

MSP430F5438處理器內(nèi)含用于低功耗管理的電源管理模塊和多通道、12位高精度ADC模塊，使其在超低功耗工作狀態(tài)下的功耗可以達(dá)到微安級。ADC12模塊內(nèi)含具有采樣/保持功能的ADC內(nèi)核、內(nèi)部2.5 V/1.5 V作參考電壓發(fā)生器和多種時(shí)鐘源等，能夠滿足大多數(shù)現(xiàn)場采集的需要，可大大簡化硬件電路的設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)采用3.3 V作供電電源，考慮到嚴(yán)控恒流源中運(yùn)算放大器的技術(shù)參數(shù)，選用1.5 V為參考電壓。同時(shí)，根據(jù)采集信號的特征及其實(shí)際測試效果，設(shè)定ADC模塊的時(shí)鐘源為ACLK，采樣保持時(shí)間為1 024個(gè)時(shí)鐘周期，分別選用A0和A1用于熱敏電阻和高精度取樣電阻的高精度采集，相關(guān)寄存器的設(shè)置如下[4-5]：

ADC12CTL2=ADC12RES_2；

ADC12CTL0=ADC12ON+ADC12SHT0_12；

ADC12CTL1=ADC12SSEL_1+ADC12DIV0+ADC12SHP+ADC12CONSEQ_0。

1.2壓控精密恒流源電路

圖1　壓控精密恒流源電路圖

當(dāng)前NTC熱敏電阻測溫系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路主要有恒壓式和恒流式。恒壓式驅(qū)動(dòng)電路中由于匹配電阻受溫度影響，漂移較大，往往會給溫度測量帶來較大的誤差。因此，本系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，并設(shè)計(jì)了壓控精密恒流源電路，如圖1所示。

圖1中：V1、V2分別為放大器A1和A2的輸出電壓；V-和V+分別為放大器A1的反相輸入和同相輸入電壓；VT和V0分別為NTC熱敏電阻和高精度取樣電阻經(jīng)恒流源驅(qū)動(dòng)后的輸出電壓[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，取定R1=R2=R3=R4，則當(dāng)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)存在如下關(guān)系：

(1)

V1=Vi+V2；

(2)

VT=V2。

(3)

流過電阻RS的電流為：

(4)

即輸出電流IS完全由輸入電壓信號Vi和電阻RS決定，而與負(fù)載RT和R0無關(guān)，且流過負(fù)載RT和R0的電流也為IS。VT和V0分別經(jīng)MSP430F5438處理器的ADC12模塊進(jìn)行采樣后，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算即可求得熱敏電阻值為：

(5)

采用恒流源驅(qū)動(dòng)電路后，熱敏電阻和取樣電阻構(gòu)成比值測量系統(tǒng)，消除了由于恒流源漂移帶來的系統(tǒng)誤差，同時(shí)，由于該系統(tǒng)選用了精密電阻作為取樣電阻，使整個(gè)測量系統(tǒng)達(dá)到了高精度測溫的要求。實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)所使用運(yùn)算放大的用戶手冊選擇合適的外圍電路電阻，以便使恒流源等效阻抗盡可能大，且輸入電壓的大小要設(shè)定在能保證運(yùn)算放大器正常工作的范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)取R1=R2=R3=R4=10 kΩ，熱敏電阻為2.252 kΩ每25 ℃，精密取樣電阻為200 Ω，恒流源驅(qū)動(dòng)電流IS=0.5 mA，在此配置下，精密取樣電阻的電壓V0為100 mV。本文ADC12模塊理論上最小分辨率為0.366 mV ，實(shí)際測試中，只要保證采樣信號大于等于50 mV，就能保證ADC12模塊采集結(jié)果的正確性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。因此，系統(tǒng)選擇的參數(shù)能夠保證最終測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2　數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)

為了消除偶然脈沖引起的干擾，提高采樣數(shù)據(jù)的平滑性，在每次模數(shù)轉(zhuǎn)換采集過程中采用中位值平均濾波法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，該方法融合了中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)，可有效消除偶然出現(xiàn)的脈沖干擾對采樣值的影響[7]。其工作原理為連續(xù)采樣n個(gè)數(shù)據(jù)，去掉采集數(shù)據(jù)的最大值和最小值，然后計(jì)算剩余數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。綜合考慮采樣時(shí)鐘頻率、儀器測量速度和實(shí)際濾波效果，本文取n的值為10。數(shù)字濾波軟件流程圖如圖2所示，其中，Y為采集數(shù)據(jù)中最小值的個(gè)數(shù)，N為采集數(shù)據(jù)中最大值的個(gè)數(shù)。

圖2　數(shù)字濾波軟件流程圖

3　熱敏電阻曲線擬合方法

NTC熱敏電阻的電阻值和溫度之間存在著嚴(yán)重的非線性關(guān)系，因此，在測溫的過程中必須通過曲線擬合獲取電阻值和溫度極度逼近的非線性函數(shù)關(guān)系，以確保測量的高精度[8-9]。本系統(tǒng)在獲得豐富的NTC熱敏電阻值-溫度值的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合。

實(shí)測數(shù)據(jù)均通過高精度恒溫水槽和高精度玻璃水銀溫度計(jì)(分度值0.01 ℃)獲得。根據(jù)最小二乘法有：

(6)

其中:S為剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差；Tti為實(shí)測溫度值；Tmi為通過擬合函數(shù)計(jì)算的溫度值。通過MATLAB軟件對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了高次冪多項(xiàng)式的擬合處理[10]，最后選定6次多項(xiàng)式為最終的擬合公式，即：

y=AR6+BR5+CR4+DR3+ER2+FR+G，

(7)

圖3　最小二乘法熱敏電阻-溫度擬合曲線

其中:A=1.285 78×10-26；B=-2.865 19×10-21；C=2.657 53×10-16；D=- 1.336 26×10-11；E= 4.007 84×10-7；F=-0.007 769 481；G=95.898 992 28。擬合曲線如圖3所示。

4　應(yīng)用結(jié)果

將通過最小二乘法擬合獲得的曲線數(shù)學(xué)模型通過C語言編譯后，燒錄到MSP430F5438處理器中組成測溫系統(tǒng)。在室內(nèi)使用該測溫系統(tǒng)，并結(jié)合中國地質(zhì)調(diào)查局水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，對測溫系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試，測試結(jié)果與高精度玻璃水銀溫度計(jì)(分度值0.01 ℃)的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，如表1所示。

表1　溫度測量結(jié)果對比　℃

由表1可知:相對于高精度玻璃水銀溫度計(jì)，該測溫系統(tǒng)的精度為±0.02 ℃，且在野外的應(yīng)用中表現(xiàn)出了高度的穩(wěn)定性，功耗極低，適合水工環(huán)野外地質(zhì)調(diào)查對高精度、便攜式、低功耗測量儀器的要求。

5　結(jié)論

采用超低功耗MSP430F5438處理器，以壓控精密恒流源為驅(qū)動(dòng)電路，輔以最小二乘法對NTC熱敏電阻進(jìn)行了逼近曲線擬合，最終實(shí)現(xiàn)了熱敏電阻的高精度測量。該系統(tǒng)通過了室內(nèi)和野外的應(yīng)用測試，取得了滿意的效果。對于其他型號的NTC熱敏電阻只需更改擬合多項(xiàng)式的系數(shù)，即能獲得對應(yīng)的擬合關(guān)系，互換性和通用性強(qiáng)，在測溫和需要測溫進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膱龊现芯哂袕V闊的應(yīng)用前景。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41303089);國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金項(xiàng)目(201411083-3)

趙學(xué)亮(1982-),男,河北保定人,工程師,碩士,主要從事水質(zhì)檢測方法和儀表方面的研究.

2015-05-04

1672-6871(2017)01-0044-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.009

TP274

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