新型温度检测电路设计研究

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1.引言

在制造业当中温度检测在多个方面都具有较为重要的应用，但传统温度检测电路在功耗、精确性等方面都存在着较大缺陷，逐渐无法满足工业生产实际需求。基于此种情况，本文设计了一种新型温度检测电路，该检测电路是基于使用了双斜率原理以及Σ-Δ原理的新型数模转换器而设计的，能够有效简化滤波电路，从而实现对温度的自动化测量，同时由于该电路控制器与振荡器时钟是完全同步的，其对温度的测量将更加精准（谢海武，严桂林，魏学刚，马俊，一款基于MSP430F6638的时钟及温度检测数据显示电路：物联网技术，2019）。，为双斜率基本原理图积分器的输入从“0”切换到模拟输入电压(Ain)。积分器的输出值和一个已知的参考电压VREF进行比较，积分器达到比较器翻转点所需的时间与模拟输入电压成比例。

2.电路设计分析

在进行该温度检测电路设计时选择LPC768单片机为设计控制芯片，其为80C15单片机的增强版，该控制芯片的管脚分布如图2中所示，同时其在20脚DIP与SO封装当中增设了多种通信端口以及监控端口，通过这种设计模式能够有效降低系统整体造价，且满足低电压、低能耗的使用需求。同时为了满足该系统触发输入需求并简化定时器设计，为系统提供了能够直接进行编程的I/O接口，这就使得电路可以接入的电压范围相对较大。该单片机中共计设计了8个转换器，其中有4个转换器为PO接口，这四个接口可以作为独立的A/D转换输入。综合权衡供电系统、成本以及电路体积等多方面的要素，选择采用比较器作为温度检测的基本元器件，从图中可以发现RT为一款热敏电阻，该电阻最大的优势在于其灵敏性较高，在实际检测过程中能够实现对温度的精准测量。从上式(3)中可以发现该电路所检测的温度与电容的充放电事件之间存在着显著相关性，所测得的温度越低则热敏电阻的阻值就越大，那么电容的充放电时间也就越长，反之则电容的充电时间则相对较短（晋会杰，电气火灾信号检测方法及硬件电路设计，

3.温度测量误差解决分析

（1）电容残留电压对测量结果的影响。电容器放电残留电压会对温度测量的结果产生定量影响。针对此种测量误差可以将参考电压取值增大来提升测量的精准性，在本电路当中将电容电压参考值取值设为0.5Vcc。

（2）充电时间对测量精度的影响。从上文的分析中可以发现时间检测对于温度测量的精确性具有直接影响。在设计中充电时间的检测往往通过中断定时器定时来实现，最终计算出有效充电时间，一般情况下充电时间计算往往会存在着一定定量的误差，尤其是在待测温度相对较高的情况下。在该电路当中直接根据待测温度的具体数值增加一个线性的充电实现修正误差值，具体为2～6us。

（3）热敏电阻本身的特性对计算结果精准性的影响。热敏电阻是该检测电路的重要元器件，由于工业生产所存在的误差，热敏电阻所测得的真实误差往往并非是完全精准的。基于此种情况，在本文的研究当中选择了质量相对较高的热敏电阻作为基本元器件，从而在最大程度上降低因元器件本身问题所造成的误差。

4.电路的参数选择

由于电容残留放电对检测结果精确性存在一定影响，同时测速的精准性也具有一定的要求，在该电路当中取VREF＝12VCC，即取R1=R2=10kΩ。若所设计的电容为大容量电容则单片机往往会受到较大的冲击，严重时甚至会出现损坏现象。因此，在该电路当中选择在电容与单片机之间增设一个100Ω电阻（宋易，唐杰，刘白杨，李冬，张开炬，盛立春，基于STM32的蓄电池状态检测系统设计：电子测试，2018）。整个系统的充电时间约等于0.7RC，但所待测温度相对较低，则热敏电阻所产生的阻值也相对较小，那么整个电路的充电时间也会被控制在较短的时间之内。为了确保充电的精确度，也可以对电路电容值进行适当调整，例如若待测电路的环境温度相对较高则可以选择电容值相对较大的电容。

5.程序设计

该系统设计为每33ms进行一次温度检测，在检测满16次之后求其平均值作为最终采样计算结果，最后还需通过插值计算以及查表来求得最终温度检测结果。为了简化数据处理结果，在计算表格中采用十六进制整数来表示相关数值。由于系统的精度按照1℃来表示，因此整数单位则设定为0.5℃，既0℃用0表示，而0.5℃则直接用1来表示。经过这种十六进制的转化之后则温度能够全部转化为纯字符。根据实际温度测量需求，该电路中所测量的温度范围为0～99℃，按照以上需求，经计算机处理之后即可得到具体计算数值。同时为了简化插值计算难度，将基数表中的每一项数据均减去下一项，并计算最终的绝对值，得到增量表（张博，基于单片机的温度自动控制系统的开发与设计：自动化与仪器仪表，2018）。查表子程序：在得到完整的表格之后，还应根据具体的测算结果，求得段内偏移量与区间增量，即根据计算差值来计算温度的具体数值。该子程序是通过所测得的两个不同温度下所对应的充电方程来确定待测系数，并根据具体充电时间来建立温度方程的。通过具体公式的计算即可求得具体的温度值。

定时中断子程序：定时中断子程序具体图，从图中可以发现，该程序首先需要初始化定时器与比较器，最后再触发定时器，读取充电时间，实现电容放电，以便进行下一次充放电检测，同时结合查表计算结果来确定具体检测结果。

6.结语

传统温度检测电路在功耗与精准性方面往往存在诸多问题，为了满足工业实际应用需求，在本文的一种新型温度检测电路，该电路是基于双斜率原理所设计，以热敏原件为基本元器件，实现了对温度的精确测量。

作者：黄涛 单位：贵州轻工职业技术学院