压控精密恒流源驱动的高精度热敏电阻测温系统

2017-11-14赵学亮魏光华

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年1期

关键词：恒流源热敏电阻低功耗

赵学亮，魏光华，李　康

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

压控精密恒流源驱动的高精度热敏电阻测温系统

赵学亮，魏光华，李康

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

针对野外水工环地质调查低功耗、快速、高精度测温的要求，研制了一种采用压控恒流源驱动的精密热敏电阻测温系统。系统以MSP430F5438处理器为主控芯片，通过单片机片上12位高精度模数转换模块，对经由低功耗单电源压控精密恒流源驱动的热敏电阻进行采集转换，并辅以最小二乘法对热敏电阻进行非线性校正，实现温度的高精度测量。试验结果表明：在-10～50 ℃，系统测量精度达到±0.02 ℃，并且具备低功耗、集成度高和可靠性强等优点。

温度；热敏电阻；恒流源；MSP430；最小二乘法

0　引言

高精度的温度测量广泛应用于水文地质调查领域，在保证获得被测物精准温度的同时，需要通过温度对其他被测参数指标进行补偿和校正，确保水文地质调查数据的准确性和可靠性。温度的测量一般采用温度传感器，目前，应用较多的温度传感器有数字式温度传感器、电流式温度传感器、热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器等。其中，数字式温度传感器和电流式温度传感器体积较大，难以集成应用，主要用于对体积要求不大和分布式测温的场合。热电偶温度传感器主要应用于高温测量的场合，且需要补偿导线以修正参考温度。而热敏电阻则以其灵敏度高、体积小、电阻值大等优点被广泛地集成到电极传感器中，用于温度的测量以及对电极参数进行实时温度补偿。当前，热敏电阻的测量方式主要包括恒压式和恒流源式[1]。其中，恒压式测量方法存在桥臂匹配电阻温度漂移问题，测量精度较低[2]。本文采用负温度因数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻，通过使用低功耗单电源压控精密恒流源和精密取样电阻消除了测量中的漂移误差，利用MSP430F5438处理器及其内置的12位高精度模数转换模块实现了系统的简约化和低功耗运行；并使用最小二乘法对热敏电阻进行非线性校正，实现温度的高精度测量，取得了显著的应用效果；并与项目研制的多参数组合式电极传感器实现了集成整合，缩小了组合式电极的体积，简化了结构。

1　系统硬件设计

测温系统采用低功耗MSP430F5438处理器为主控芯片，主要包括恒流源驱动电路、滤波电路、信号采集电路和液晶显示电路等部分。其中，恒流源驱动电路负责为热敏电阻提供驱动电流；滤波电路负责滤除干扰信号；MSP430F5438处理器负责协调各部分的工作，并通过内置的12位模数转换(analog to digital converter,ADC)模块对滤波后的温度传感器信号进行采集[3]，最终将处理结果显示在液晶上。

1.1MSP430F5438处理器及ADC12模块

MSP430F5438处理器内含用于低功耗管理的电源管理模块和多通道、12位高精度ADC模块，使其在超低功耗工作状态下的功耗可以达到微安级。ADC12模块内含具有采样/保持功能的ADC内核、内部2.5 V/1.5 V作参考电压发生器和多种时钟源等，能够满足大多数现场采集的需要，可大大简化硬件电路的设计。由于本系统采用3.3 V作供电电源，考虑到严控恒流源中运算放大器的技术参数，选用1.5 V为参考电压。同时，根据采集信号的特征及其实际测试效果，设定ADC模块的时钟源为ACLK，采样保持时间为1 024个时钟周期，分别选用A0和A1用于热敏电阻和高精度取样电阻的高精度采集，相关寄存器的设置如下[4-5]：

ADC12CTL2=ADC12RES_2；

ADC12CTL0=ADC12ON+ADC12SHT0_12；

ADC12CTL1=ADC12SSEL_1+ADC12DIV0+ADC12SHP+ADC12CONSEQ_0。

1.2压控精密恒流源电路

图1　压控精密恒流源电路图

当前NTC热敏电阻测温系统的驱动电路主要有恒压式和恒流式。恒压式驱动电路中由于匹配电阻受温度影响，漂移较大，往往会给温度测量带来较大的误差。因此，本系统采用恒流驱动方式，并设计了压控精密恒流源电路，如图1所示。

图1中：V1、V2分别为放大器A1和A2的输出电压；V-和V+分别为放大器A1的反相输入和同相输入电压；VT和V0分别为NTC热敏电阻和高精度取样电阻经恒流源驱动后的输出电压[6]。在实际应用中，取定R1=R2=R3=R4，则当运算放大器工作在线性区时存在如下关系：

(1)

V1=Vi+V2；

(2)

VT=V2。

(3)

流过电阻RS的电流为：

(4)

即输出电流IS完全由输入电压信号Vi和电阻RS决定，而与负载RT和R0无关，且流过负载RT和R0的电流也为IS。VT和V0分别经MSP430F5438处理器的ADC12模块进行采样后，经过单片机计算即可求得热敏电阻值为：

(5)

采用恒流源驱动电路后，热敏电阻和取样电阻构成比值测量系统，消除了由于恒流源漂移带来的系统误差，同时，由于该系统选用了精密电阻作为取样电阻，使整个测量系统达到了高精度测温的要求。实际应用中，要根据所使用运算放大的用户手册选择合适的外围电路电阻，以便使恒流源等效阻抗尽可能大，且输入电压的大小要设定在能保证运算放大器正常工作的范围之内。本系统取R1=R2=R3=R4=10 kΩ，热敏电阻为2.252 kΩ每25 ℃，精密取样电阻为200 Ω，恒流源驱动电流IS=0.5 mA，在此配置下，精密取样电阻的电压V0为100 mV。本文ADC12模块理论上最小分辨率为0.366 mV ，实际测试中，只要保证采样信号大于等于50 mV，就能保证ADC12模块采集结果的正确性、稳定性和重复性。因此，系统选择的参数能够保证最终测量结果的准确性。

2　数字滤波程序设计

为了消除偶然脉冲引起的干扰，提高采样数据的平滑性，在每次模数转换采集过程中采用中位值平均滤波法对采样数据进行预处理，该方法融合了中位值滤波法和算术平均滤波法的优点，可有效消除偶然出现的脉冲干扰对采样值的影响[7]。其工作原理为连续采样n个数据，去掉采集数据的最大值和最小值，然后计算剩余数据的算术平均值。综合考虑采样时钟频率、仪器测量速度和实际滤波效果，本文取n的值为10。数字滤波软件流程图如图2所示，其中，Y为采集数据中最小值的个数，N为采集数据中最大值的个数。

图2　数字滤波软件流程图

3　热敏电阻曲线拟合方法

NTC热敏电阻的电阻值和温度之间存在着严重的非线性关系，因此，在测温的过程中必须通过曲线拟合获取电阻值和温度极度逼近的非线性函数关系，以确保测量的高精度[8-9]。本系统在获得丰富的NTC热敏电阻值-温度值的基础上，采用最小二乘法对数据进行了曲线拟合。

实测数据均通过高精度恒温水槽和高精度玻璃水银温度计(分度值0.01 ℃)获得。根据最小二乘法有：

(6)

其中:S为剩余标准偏差；Tti为实测温度值；Tmi为通过拟合函数计算的温度值。通过MATLAB软件对获得的数据进行了高次幂多项式的拟合处理[10]，最后选定6次多项式为最终的拟合公式，即：

y=AR6+BR5+CR4+DR3+ER2+FR+G，

(7)

图3　最小二乘法热敏电阻-温度拟合曲线

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。拟合曲线如图3所示。

4　应用结果

将通过最小二乘法拟合获得的曲线数学模型通过C语言编译后，烧录到MSP430F5438处理器中组成测温系统。在室内使用该测温系统，并结合中国地质调查局水工环地质调查项目，对测温系统进行了应用测试，测试结果与高精度玻璃水银温度计(分度值0.01 ℃)的测量结果进行了对比，如表1所示。

表1　温度测量结果对比　℃

由表1可知:相对于高精度玻璃水银温度计，该测温系统的精度为±0.02 ℃，且在野外的应用中表现出了高度的稳定性，功耗极低，适合水工环野外地质调查对高精度、便携式、低功耗测量仪器的要求。

5　结论

采用超低功耗MSP430F5438处理器，以压控精密恒流源为驱动电路，辅以最小二乘法对NTC热敏电阻进行了逼近曲线拟合，最终实现了热敏电阻的高精度测量。该系统通过了室内和野外的应用测试，取得了满意的效果。对于其他型号的NTC热敏电阻只需更改拟合多项式的系数，即能获得对应的拟合关系，互换性和通用性强，在测温和需要测温进行温度补偿的场合中具有广阔的应用前景。

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国家自然科学基金项目(41303089);国土资源部公益性行业科研专项基金项目(201411083-3)

赵学亮(1982-),男,河北保定人,工程师,硕士,主要从事水质检测方法和仪表方面的研究.