一. 熱敏電阻總體說明
本簡述是說明 ntc熱敏電阻器對溫度的測量。熱敏電阻器把溫度的變化轉換為電阻阻值的變化, 再應用相應的測量電路把阻值的變化轉換為電壓的變化;然後通過晶元或處理電路,可以把模擬的電壓值轉換為數碼訊號,對數值訊號進行處理可以得到相應的溫度值。也就音特公司常提到的模數轉換.
1.1 熱敏電阻器熱敏電阻有電阻值隨溫度公升高而公升高的正溫度係數
positive temperature coefficient 簡稱 ptc熱敏電阻有電阻值隨溫度公升高而降低的負溫度係數negative temperature coefficient簡稱 ntc 熱敏電阻。ntc 熱敏電阻器,是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料,採用電子陶瓷工藝製成的熱敏半導體陶瓷元件。這種元件的電阻值隨溫度公升高而降低,利用這一特性可製成測溫、溫度補償和控溫元件,又可以製成功率型元件,抑制電路的浪湧電流。
電阻溫度特性可以近似地用下式來表示:
公式中:rt、rn分別表示ntc在溫度t(k)和額定額定溫度tn (k)下的電阻值,單位ω,t、tn 為溫度, 單位k(tn(k)=273.15+tn(℃))。b,稱作b值,ntc熱敏電阻特定的材料常數(beta)。由於b值 同樣是隨溫度而變化的,因此ntc熱敏電阻的實際特性,只能粗略地用指數關係來描述,所以這種方法只能以一定的精度來描述額定溫度或電阻值附近的有限的範圍。但是在實際應用中,要求有比較精確的 r-t 曲線。要用比較複雜的方法(例如用 the steinhart-hart 方程),或者用**的形式來給定電阻/溫度關係。
下表是選用 ntc熱敏電阻器 mf52-502f3950b,基於精確的r-t 曲線,來對溫度進行精確的測量。
1.2 電阻-溫度關係如表a1 所示,ntc 熱敏電阻器 mf52-502f3950b 各溫度點的電阻值,即電阻-溫度關係表。從提供的電阻-溫度關係表中可以 看出 ntc 熱敏電阻器mf52-502f3950b的測溫範圍為 [-55℃,125℃],其電阻值的變化範圍為[250062ω,242.64ω]。
表a1mf52-502f3950b所示:溫度(℃)
1.3數值處理
通過表 a1 電阻-溫度關係表可以很直觀的看到電阻的變化範圍從 242.64ω到 250062ω,在-55℃的時候其表現出的電阻值是 125℃時所表現的電阻值的 1030 倍,這麼大的變化範圍也為模數轉換測量帶來了困難。
測量電路如下圖所示。
如上圖所示 ntc 熱敏電阻 rv 和測量電阻 rm(精密電阻)組成乙個簡單的串聯分壓電路,參考電壓vcc_ref 經過分壓可以得到乙個電壓值隨著溫度值變化而變化的數值,這個電壓的大小將反映出ntc 電阻的大小,從而也就是相應溫度值的反映。 通過歐姆定律可以得到輸出電壓值vadc 和 ntc 電阻值的乙個關係表示式1:
表示式2.
dadc = 1024*vadc/5v
結合表示式1和表示式2,可以得出表示式3:
dadc = 1024*rm/(rv+rm)
如果這裡取 測量電阻rm 選擇4.7kω,那麼可以計算出:
在- 55℃時 所對應的 dadc = 1024*1000/(250062+1000) = 4;
在 125℃時 所對應的 dadc= 1024*1000/(242.64+1000)= 824。
根據這樣的對應關係對資料進行預處理,得到如下處理結果如下資料所示:
atic const int16 ntctab2[181] =
;重要說明:
這個**是應用中所需要的乙個很重要的轉換表,這一部分是事先製作好的**,將為接下來的處理提供參考依據。測量電阻 rm 的選取是有一定的規律的,在實際的應用中不一定都需要測量全程溫度,可以估算出大致的溫度範圍。本著提高測量精度的宗旨:如果是應用在測量低溫的系統中建議 rm 選擇較大 的電阻(10kω),如果在測量較高溫的系統中建議 rm 選擇較小的電阻(1kω)
等。1.4線性插值
在adc 進行資料採集的過程中不可能每乙個數值都在整溫度所對應的 adc 數值上,所以如果在兩個資料的中間一段就要對其進行進一步的精確定位。這樣就必須知道採集到的資料在資料表中的具體位置,因此要對資料表進行搜尋、查詢。線性表的查詢(也稱檢索),可以有比較常見的順序查 找、折半查詢及分塊查詢等方法,分析線性資料表可以得到折半查詢的演算法是比較高效的。
例如:如果 adc 取樣的數值為 dadc = 360,即 357已知點(x1,y1)和點(x2,y2)求(xi,yi)。 由兩點可以得到直線l 的方程式
點(x1,y1)和點(x2,y2)為相鄰兩溫度點,所以 x2-x1=1那麼由式上式可得:
這樣通過 adc取樣來的 dadc(y1)數值帶入式x上式中,可以求得相應的溫度值。 插值計算出來的數值肯定是小數,那么需要對數值進行特殊的處理:基於定點計算的思想,把
資料首先規格化,把小數點定在第六位即計算數值放大64倍參與計算,當然在計算後的溫度資料也應該是真實數值的64倍,所以需要 x/64得到的數值為實際測量到的溫度值。把小數點定的位數越 高表示的精度越高。
這樣的插值計算實際上是分段的, 用直線段來模擬溫度曲線, 因此在處理的過程中分段越細緻擬和的曲線就越接近實際溫度曲線。
二.軟體部份 (本司不做詳細說明)
應用例程式部分主要針對 ntc熱敏電阻測量溫度的應用,其中最主要的是使用 adc模組對訊號的採集和處理,從而得到溫度數值。
三. 硬體原理圖
硬體原理圖,如下圖所示。顯示部分電路原理圖為示意圖。
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