基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计
2009燕
第3期
仪表技术与传感器
InstrumentTechniqueandSensor
2009
No.3
基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计
倪秀辉,张琳琳,任国兴
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001)
摘要:针对快速响应高精度测温的要求,提出了一种基于MSP430F2013单片机的热敏电阻高精度测温方案。利用单
片机片上加ppm(1ppm=10。6)电压基准和16位A/D,辅助以非平衡电桥和过采样的方式,能实现高灵敏度的热敏电阻
信号激励和数字化;通过多项式拟合的方法矫正...
2009燕
第3期
仪
技术与传感器
InstrumentTechniqueandSensor
2009
No.3
基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计
倪秀辉,张琳琳,任国兴
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001)
摘要:针对快速响应高精度测温的要求,提出了一种基于MSP430F2013单片机的热敏电阻高精度测温
。利用单
片机片上加ppm(1ppm=10。6)电压基准和16位A/D,辅助以非平衡电桥和过采样的方式,能实现高灵敏度的热敏电阻
信号激励和数字化;通过多项式拟合的方法矫正非线性能使系统获得测温高精度。所完成的测温系统具有集成度高、测
温精度高、功耗低、对分立器件要求低的特点。
关键词:热敏电阻;高精度;温度测量;MSP430
中图分类号:TP212.6 文献标识码:B 文章编号:1002—1841(2009)03—0100—02
DesignofHighPrecisionThermistorTemperature
MeasurementBasedonMSP1430I屹013
NIXiu—hui,ZHANGLin-lin,RENGuo-xing
(InstitutionofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences,Qingdao266001,China)
Abstract:Aimingattherequirementoffast-responsehigh-precisiontemperaturemeasurement.thispaperpresented8ther-
mislnrtemperaturemeasurementschemebasedontheMSP430microcontrolhrMSP430F2013.ThermistorsignalWasexcitedand
digitizedwiththeon—chip20ppmvoltagereferenceand16bitADC.Usingratiometricoperation,over-samplingmethodand3-order
polynomialfittingcalculation,thesystemrealizedhi}sh—resolution,highaccuratetemperaturemeasurement.Thisdesignhasthefea-
tureofsimplestructure,lowcostimplementationandlowpowerconsumption.
Keywords:thermistor;highprecision;temperaturemeasurement;MSP430
O引言
测温电路通常需要恒压或恒流源、A/D转换器和高精度运
放。当测量精度要求较高时,复杂的调理电路和高位数的A/D
转化器使成本和功耗上升。随着电子技术的发展,出现很多低
功耗大规模集成电路,其片上带有多种外设模块可以形成集成
解决方案,为设计低功耗高精度测温系统提供了硬件基础⋯。
利用MSP430F2013的片上16位A/D和18ppm(1ppm=
10“)电压基准,辅助以非平衡电桥和过采样的方式,能实现高
精度的热敏电阻信号激励和数字化。所完成的测温系统具有
集成度高、精度高、功耗低、对分立器件要求低的特点。
1热敏电阻和其测温硬件电路设计
高精度温度测量通常可以使用RTD和高精度热敏电阻实
现。RTD(尤其是铂电阻)具有卓越的重复性和稳定特性;热敏
电阻互换性不好,阻值随温度变化的线性度也很差,但其灵敏
度很高,响应速度很快,尤其是珠状玻封热敏电阻,这种特性在
一些特殊应用中是有价值的(如海水温度剖面测量)。
在温度采集应用中,需要高分辨率A/D变换器把测量电路
所含热敏电阻产生的信号进行数字化。MSP430是16位单片
机,其F20XX系列具有超低功耗和最高16MIPS的运行速度,
MSP430砣013(文中简称['2013)内部有功能强大的SDl6一A(增
强16位的乏.△ADC)模块,集成程控增益放大器(PGA)和温
漂18ppm的1.2V参考电压口J,适合做低功耗智能传感器信号
收稿日期:2008一01—15收修改稿日期:2009—01—12
采集和处理MCU.
系统利用MSP430F2013进行智能数据采集,从前端传感器
采集来的数据经过程控增益放大器进行放大,随后进入模数转
换器进行模数转换,转换完成后进行滤波和校正计算最终获得
温度结果。
图1是系统电路图。F2013片上1.2V电压基准的特点是
低温漂18ppm,配置内部缓冲后其1mA的输出电流能力也足
够用于激励热敏电阻电桥。该电压基准既为AVD变换器产生
基准,同时用于激励热敏电阻电桥,以形成比值测量系统,因为
比值工作,所以消除测量系统中的漂移误差,该方法是完全比
值,电压源变化不降低系统性能¨J。
图1系统硬件电路图
电路中3个电阻器与热敏电阻氏构成一个单臂电桥,电桥
的作用在于激励出热敏电阻差分电压信号。设计中冠。、坞、玛
均采用7.5K(1/1000)25ppm的标准精密金属膜电阻,热敏电
万方数据
第3期 倪秀辉等:基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计 101
阻阻值3—15Q变化会形成约一0.25~+0.20V的差分信号
输出。当SDl6.A工作在内部电压基准、增益为2的差分输入
模式时,F2013适用±0.25V的输入信号范围,通过乏一△ADC
的过采样技术系统能达到所需的斗V级测量分辨率。
F2013的SDl6一A模块不带输入缓冲,其差分输人阻抗在
PGA增益等于2时约为250kQ,直接测量输出阻抗为kQ级的
电桥输出时,会造成mV级的测量偏差。为提高测量精度,要在
外部提供输入缓冲。缓冲运放选用低噪低温漂双运放HJ。
系统对前端模拟电路分立器件要求不高,选择温漂、时漂
小的元器件可以提高系统整体稳定性,各种容差可在单片机软
件中进行校正。同时系统具有低功耗的特点,当运行在IMHz
的时钟条件下,F2013工作电流为220雌,其内部的SDl6A模
块和参考电压模块耗电小于1.5mA(采样时峰值电流)。由于
间断休眠的运行方式降低了系统耗电,系统连续采样温度整体
运行功耗(包括前端电路)小于1mA,适合电池供电的连续温
度采集应用。
2 STEINHART-HART方程和测温电路的校正方法
NTC热敏电阻,其阻值随着温度升高而迅速减小,阻值和
温度的关系近似于指数关系。使用一些建模技术可以将NTC
的热敏电阻的精度调制得很高”j。麻省科德角伍德修尔海洋
学研究所工作的2名海洋学家在海洋研究中为了得到精确的
温度测量方法,通过累试法加上数字直觉,得出
I/T=A+B(1nR)+C(1l氓)3(1)
式中:T指开氏温标的绝对温度;A、B、C是热敏电阻常量参数;
R是热敏电阻的欧姆电阻值.1n是自然对数。
式(1)即为以2位科学家命名的Steinhart—Hart方程,三阶
方程可以在0—100℃的测温范围内达到±0.001℃曲线拟
合”J。A、日、C系数必须先根据3个校准点确定,它们是在有关
温度量程低端、中点、高端的电阻值。将每对电阻一温度值都插
入到公式中,产生一组3方程联立方程式,解联立方程就可得
到A、B、c该设计中使用MFSI高精度热敏电阻,温漂为0.002
℃/年,其三阶Steinhart—Hart方程R—T模型曲线如图2所示,并
给出了18个实测点和曲线拟合误差。
0
芒
阜
基
雹
硼
蕾
最
p
各
=
涮
蝼
删
囊
矿℃
圈2所使用的MFSl高精度热敏电阻R-T特性曲线
用一等标准温度表测得摄氏温度,用6位半数字表测得此
温度下热敏电阻的阻值,在0—40℃温度范围内,18个实测点
的温度与曲线点最大温度误差为0.026℃,可见方程拟合精度
高于0.03℃.使用更高分辨率的温度测量设备和更高精度的
阻值测量设备,还可以获得更高校正精度的尺一r模型曲线。
3阶Steinhart-Hart方程转化计算得到每个ADC量值与温
度值对应关系,如图3所示。图中圆点表示实测所得温度和
ADC量值对应点。
围3 ADC■值与温度对应曲线
实际电路中元器件的非理想特性造成了实测点与理论值
的小量偏差,系统的主要误差源有电桥电阻的容差和温漂、
SDl6模块的误差和温漂以及缓冲运放失调电压等。选用高_A
精度的电路元器件和硬件校正措施可以将偏差减小,但必然会
造成成本的上升。
软件校准是另一种可行的方法:根据实测点计算出拟合函
数公式(三阶多项式就可以达到0—40℃温度范围内小于
o.01℃的拟合精度),然后在MCU中用此拟合函数计算所测得
ADC量值对应的温度值。该方法虽然需要测取大量温度和所对
应ADC量值,但它使得系统最终测温精度依赖于后期校正工作,
而不是依赖于高精度的电路元器件。用一等温度计测得93个数
据点获得三阶拟合函数可使系统测温误差小于±0.1℃,低温漂
的电桥电阻和低噪双运放就可以保证系统最终测温精度为o.1
℃.同时MSP430单片机具有较强的运算能力,采用浮点运算实
现三阶多项式拟合并不耗费系统过多资源。
3系统软件设计
采用c语言对单片机编程,主程序流程图如图4所示:主
程序初始化部分主要是系统时钟的初始化,使系统工作频率为
DCO指定的标准lMHz时钟;通过SDl6相关寄存器,设定
SDl6工作在开中断连续采样模式、选择差分通道并设内部增
益为2倍;最后打开1.2V内部参考电压为外部电桥供电。在
lmin延时等待输出信号稳定后,打开SDl6A开始采样,系统进
入休眠模式,等待SDl6A完成256次采样并退出休眠模式。最
后将得到的ADC量值通过三阶拟合函数运算得到温度值。
MCU循环完成该过程,连续得到温度值。SDl6A可以达到
4K的采样速度,但是过采样需要256次结果(下转第120页)
万方数据
120 InstrumentTechniqueandSensor Mar.2009
∑sin(t/366693)[/(sin(t/366693)一A]-0
根据上式求得K的数值:
K=∑Asin(t/366693)/Esinz(t/366693) (6)
获得K的计算式(6)后,代入表l中波长A和步进脉冲t的实
测数据,求得
K=l585
最后确定波长标定公式为:
A=1585sift(t/366693) (7)
为验证波长标定公式的拟合效果,使用不同的步进脉冲t。
代入到式(7)中,计算对应谱线的波长A,这些数值可以绘制出
拟合曲线如图3所示。图中上半部分是拟合曲线,同时标出了
实测数据点的位置;图中下半部分是拟合残差的分布情况,从
中可以看出,所有5条谱线的拟合偏差都小于0.1nnl.
600
.1400
喾2()o
0
0.2
暑0.1
姜0
魍一0.1
-0.2
2 4 6 8 10 1214
步进脉冲数,10‘步
(a)正弦拟舍曲线
0 2 4 6 8 10 12 14
步进脉冲数,10.步
(b)拟合残差分布
图3正弦曲线拟合及其残差
得到了波长标定式(7)以后,可以把这个函数关系式写入
到仪器的测量程序中,便可以进行正常的光谱测量了。这些是
对1200/mm光栅所进行的标定工作,随后,又对600/mm光栅
进行了类似标定。曾经使用多种光源,经过了多次测试,绘制
了多条光谱曲线,对标定过程进行检验。实验结果达到预期要
求,标定精度满足仪器设计精度要求。
4结束语
针对自动单色仪这种测量仪器的实际结构,进行了技术分
析与实验验证,充分表明正弦曲线拟合标定技术是一种很好的
技术方案。这种方法的标定方程符合光栅的理论方程,无需太
多的标定点就可以满足仪器的测量精度要求。由于待定参数
选择适当,大幅度减少拟合运算过程中的计算复杂性,计算量
与线性拟合相当。基于上述优势,可以预见,这种正弦拟合标
定技术会获得广泛应用。
参考文献:
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作者简介:乔道鄂(1963一).工学博士。主要从事机电系统测量与控制
方面的研究。E—mail:qiaodaee@grn矗il.c,olfla
(上接第101页)
I 开始 )i
初始化
系统时钟
黼群块
二]二二
延时1mill
等待电桥稳定
启动一次测温
并进人休眠,
等待sDln_A模块
完成采集唤醒
将采到的AD值通
过三阶拟合修正
和校正运算得到
温度值
结束
(a)
(黼)\中断入口/
卜——一
I采样ADr值(通过2
1次读取MEM和移位
l获得18位ADC值),
l并将值加入ADtemp
审
将ADtemp值除
256井写入
Adresult
关闭SDl6_.A
退出休眠
I
(槲淼)
(b)
圈4程序流程圈
取平均,系统最终采样速度约为13Hz,能够有效克服因偶然因
素引起的波动干扰,提高采样精度,尤其适用于温度等变化较
缓慢的物理量。
4结束语
该系统硬件设计简单,采用具有很高的集成度的MCU芯
片MsP430F2013为核心,片上完成信号放大、A/D转换、软件滤
波和非线性校正,实现了低成本高精度测温。具有对分立器件
要求低、低功耗等特点。对热敏电阻高精度测温应用开发具有
一定的参考价值。系统温度分辨率超过0.001℃,系统测温误
差小于±0.1℃,实际设计中如果采用更高精度和分辨率的温
度标定设备和用更多的数据点计算高阶拟合函数,系统会达到
更高的精度。
参考文献:
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作者简介:倪秀辉(198l一),硕士研究生,主要研究方向为海洋仪器和
智能仪表。E-mail:nixiuhui@small.P_,om
万方数据
基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计
作者: 倪秀辉, 张琳琳, 任国兴, NI Xiu-hui, ZHANG Lin-lin, REN Guo-xing
作者单位: 山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛,266001
刊名: 仪表技术与传感器
英文刊名: INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR
年,卷(期): 2009(3)
被引用次数: 7次
参考文献(5条)
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