CN104535214A - 一种基于ntc温度传感器的高精度温度采集电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路及方法，所述电路包括NTC温度传感器阵列、稳压源、AD转换器、控制器、外部接口、标准电阻阵列、第一开关阵列以及第二开关阵列，所述第一开关阵列和第二开关阵列分别连通所述标准电阻阵列中的其中一个和所述NTC温度传感器阵列中的其中一个；所述AD转换器用于采集所述连通的标准电阻和所述连通的NTC温度传感器之间的分压信号，并进行模数转换；所述控制器用于提供开关选择信号以及计算所述NTC温度传感器的温度值；所述外部接口用于将采集的数据提供给外部设备。本发明的电路在宽采集温度范围内均可获得较好精度，且开发成本低，易于实现。

Description

一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路及方法

技术领域

本发明涉及一种温度采集电路，具体涉及一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路。

背景技术

目前，NTC（负温度系数）温度传感器的应用越来越广泛，在新能源汽车中的电机和动力电池等部件都用到NTC温度传感器。当前，常需测量温度的范围一般集中在-20至65℃，测量的温度精度在±2℃的范围内，所采用的测量电路一般有电阻分压法和恒流源激励法，然而，上述两种方法存在以下缺陷：

1、恒流源电路相对复杂，检测电路的温度适应性较差，较难满足环境苛刻条件下温度应用；为解决恒流源测温电路的温度适应性，就需要花费高成本高精度的电子器件，检测电路的性价比就会降低很多。

2、电阻分压法，检测电路简单，结合单片机技术能够很方便的实现温度测量。但是由于NTC传感器的特性是阻值会随不同温度的变化而变化，变化范围达1000倍以上，MCU的AD位数一般为10位或12位，加上采集的系统噪声，测量的误差难以满足全温度条件下的高精度温度测量。

3、在新能源汽车或一些储能动力电池应用，温度测量范围扩展到-40℃～125℃或-40℃～150℃，需要测量的温度范围比传统温度范围扩大一倍，对测量的精度进一步产生影响，测量的误差最大可到达±3℃。

发明内容

本发明的目的是：针对现有的基于NTC温度传感器的温度采集电路，其测量的温度精度偏低、温度适应性差的问题，提出一种改善温度采集精度的电路。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路，包括标准电阻阵列、第一开关阵列、NTC温度传感器阵列、第二开关阵列、稳压源、AD转换器、控制器以及外部接口单元，其中，

所述NTC温度传感器用于采集周围环境的温度；

所述稳压源用于给系统提供稳定电压源；

所述第一开关阵列与所述标准电阻阵列连接，用于在所述控制器的控制下选择连通所述标准电阻阵列中的其中一个，所述标准电阻为所述NTC温度传感器的温度范围划分成若干个区间后每个区内间的温度值所对应的电阻阻值的中间值；

所述第二开关阵列与所述NTC温度传感器阵列连接，用于在所述控制器的控制下选择连通所述NTC温度传感器阵列中的其中一个；

所述AD转换器用于采集所述连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号，并将所述分压信号进行模数转换；

所述控制器用于为所述第一开关阵列和所述第二开关阵列提供开关选择信号以及根据所述AD转换器的数字分压信号、所述标准电阻值以及所述稳压源的电压值计算所述NTC温度传感器的在当前环境下的阻值和温度值；

所述外部接口用于将所述NTC温度传感器的温度值提供给外部设备。

优选地，所述控制器还包括判断模块，用于判断所述数字分压信号的电压值是否处于所述稳压源电压值的35%至65%范围之内。

优选地，所述基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路还包括诊断单元，所述诊断单元包括参考电阻，所述参考电阻为已知阻值的备用电阻，所述参考电阻通过所述第二开关阵列连接至整个电路。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集方法，包括：

一、所述控制器控制所述第一开关阵列和所述第二开关阵列分别选择连通其中一个标准电阻和其中一个NTC温度传感器；

二、所述AD转换器采集所述所连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号并将其数字化后传送给所述控制器；

三、所述控制器根据所述数字化后分压信号与所述稳压源电压值的比例关系，以及所述标准电阻的阻值确定当前环境下所述所连通的NTC温度传感器的电阻值；

四、根据所述当前环境下的NTC温度传感器的电阻值确定所述NTC温度传感器的温度值；

五、将所述NTC温度传感器的温度值通过所述外部接口发送给外部设备。

优选地，所述步骤三之前还包括：

判断所述数字分压信号的电压值是否处于所述稳压源电压值的35%至65%范围之内，若是，则执行步骤三；否则，控制所述第一开关阵列连通其余的其中一个标准电阻，并重新采集所述所连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号后，再重复所述判断。

优选地，所述步骤一之前还包括诊断步骤：

所述控制器控制所述第一开关阵列和所述第二开关阵列分别选择连通其中一个标准电阻和所述参考电阻；

所述AD转换器采集所述所连通的标准电阻和所述参考电阻之间的分压值将其数字化后传送给所述控制器；

所述控制器根据所述标准电阻与所述参考电阻阻值之间的比例关系，以及所述稳压源的电压值，计算所述所连通的标准电阻和所述参考电阻之间的理论分压值；

比较所述采集的分压值与所述理论分压值是否相一致，若一致，则表明整个电路正常，否则，表明电路出现故障。

本发明具有如下优点和有益效果：

1、电路设计中，采用成本相对较低，电路复杂度低，高可靠性的电阻分压方案实现NTC温度测量；

2、判断所接入的标准电阻是否合适，并在不合适时通过开关阵列或类似电路重新选择合适的标准电阻，接入回路测量温度值，提高温度测量精度；

3、通过开关组合控制、参考电阻的模拟接入，可以实现检测电路的故障诊断功能；

4、支持温度检测通道扩展，温度测量电路通过复制设计，可以增加温度测量的通道数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的系统设计原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明实施例的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明的基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路，包括标准电阻阵列R1、R2、R3，第一开关阵列S1、NTC温度传感器阵列Rt1、Rt2、…Rtn，第二开关阵列S2、稳压源LDO、AD转换器、控制器MCU以及外部接口。

所述NTC温度传感器阵列Rt1、Rt2、…Rtn用于采集周围环境的温度。通常将温度为25℃下所述NTC温度传感器的阻值作为标称阻值，则针对标称阻值为10KΩ的NTC温度传感器，不同的标准电阻的阻值数量级控制在10倍；而对于标称100KΩ的NTC温度传感器，不同的标准电阻的阻值数量级控制在100倍。阻值选择关系参照此方法但不局限此关系，不同阻值数量级可以根据需求进行进一步划分。

所述标准电阻为所述NTC温度传感器的温度范围划分成若干个区间后每个区内间的温度值所对应的电阻阻值的中间值。例如，根据所述NTC温度传感器的电阻-温度之间的对应关系表，对所述NTC温度传感器的可测温度范围进行划分，例如将可测温度范围-40至125℃划分成3个区间：-40至0℃、0至65℃和65至125℃，将-40至0℃温度区间所对应的电阻值中的中间值记为标准电阻R1，将0至65℃温度区间所对应的电阻值中的中间值记为R2，将65至125℃温度区间所对应的电阻值中的中间值记为R3。若区间划分的个数不止3个，则其标准电阻的确定方法依此类推。

所述稳压源LDO用于给系统提供稳定电压源。本实施例中选用线性稳压器LDO为系统进行供电，即该线性稳压器在所述标准电阻阵列和所述NTC温度传感器阵列之间提供分压，并同时为所述控制器MCU提供稳定电压源。

所述第一开关阵列S1与所述标准电阻阵列R1、R2、R3连接，所述第一开关阵列S1通过控制总线连接于所述控制器MCU，所述MCU通过所述控制总线发送开关选择信号给所述第一开关阵列S1，使得所述第一开关阵列S1根据所述开关选择信号连通相应的标准电阻。

所述第二开关阵列S2与所述NTC温度传感器阵列Rt1、Rt2、…Rtn连接，所述第二开关阵列S2通过控制总线连接于所述控制器MCU，所述MCU通过所述控制总线发送开关选择信号给所述第二开关阵列S2，使得所述第二开关阵列S2根据所述开关选择信号连通相应的NTC温度传感器。

所述AD转换器用于采集所述其中一个标准电阻和所述其中一个NTC温度传感器之间的分压信号，并将所述分压信号进行模数转换。所述标准电阻阵列R1、R2、R3和所述NTC温度传感器阵列Rt1、Rt2、…Rtn串行连接于所述线性稳压器LDO的两端，以对所述LDO进行分压，所述AD转换器采集所述分压信号，并将该分压信号进行模数转换成数字信号，以便提供给所述控制器进行数字处理。

所述控制器MCU读取所述AD转换后的数字分压信号，根据串联电路中，电阻和电压之间的线性比例关系即可算出当前环境下所述NTC温度传感器的电阻值。即所述标准电阻加上所述NTC温度传感器的电阻值后与所述NTC温度传感器的电阻值之间的比值等于所述稳压源的电压值与所述分压信号值的比值，由于标准电阻、稳压源的电压值以及分压信号值都是已知的，据此即可计算得出所述NTC温度传感器的电阻值。根据所述NTC温度传感器的电阻-温度之间的对应关系即可读出此时NTC温度传感器的温度值。

进一步地，所述控制器还包括判断模块，用于判断所述数字分压信号的电压值是否处于所述稳压器LDO电压值的35%至65%范围之内，若是，则将所述读出的NTC温度传感器的温度值通过所述外部接口单元输出给外部设备，若不匹配，则控制所述第一开关阵列S1重新选择连通与所述读出的温度值相匹配的标准电阻值。

所述外部接口单元用于当所述数字分压信号的电压值处于所述稳压器LDO电压值的35%至65%范围之内时，将所述读出的NTC温度传感器的温度值输出给外部设备。

作为优选的实施方式，所述基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路还包括诊断单元，所述诊断单元包括参考电阻Rs，所述参考电阻Rs通过所述第二开关阵列S2连接至整个电路。

基于图1所示的温度采集电路，本实施例的基于NTC温度传感器的高精度温度采集方法为：

S101、所述控制器控制所述第一开关阵列和所述第二开关阵列分别选择连通其中一个标准电阻和其中一个NTC温度传感器；

所述控制器MCU分别通过控制总线发送开关选择信号给所述第一开关阵列S1和所述第二开关阵列S2，所述第一开关阵列S1和所述第二开关阵列S2根据所述开关选择信号分别连通相应的标准电阻和NTC温度传感器，本实施例中假设连通阻值为10KΩ的标准电阻R1和标称值为10KΩ的NTC温度传感器Rt1。

S102、所述AD转换器采集所述所连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号并将其数字化后传送给所述控制器；

所述AD转换器采集所述标准电阻R1与所述NTC温度传感器之间的分压信号，该采集到的分压信号是模拟的，在将其输入MCU之前，首先要通过AD转换器进行模数转换。

S103、所述控制器根据所述数字化后分压信号与所述稳压源电压值的比例关系，以及所述标准电阻的阻值确定当前环境下NTC温度传感器的电阻值；

假设所述稳压源的电压值为5V，所述AD转换器采集到的电压为4.64V，则根据比例关系可知，计算得出的NTC温度传感器的电阻值大约为100kΩ。

S104、根据所述当前环境下的NTC温度传感器的电阻值确定所述NTC温度传感器的温度值；

根据所述NTC温度传感器的电阻-温度之间的对应关系可知，100kΩ的电阻对应的温度为-20℃。

S105、通过所述外部接口单元将所述温度值传送给外部设备并退出流程。

优选地，在所述步骤S103之前还包括：

判断所述AD转换器所采集到的电压值是否处于所述稳压器LDO电压值的35%至65%范围之内，若是，则执行步骤S103，否则，控制所述第一开关阵列连通其余的其中一个标准电阻，并重复所述判断。

由前述步骤可知，电压值为5V的稳压源，其35%至65%范围内的电压值约为1.75V至3025V，而当前所述AD转换器所采集的电压值为4.64V，因此，所述AD转换器所采集的电压值不在所述稳压器LDO电压值的35%至65%范围之内，此时所述控制器控制所述第一开关阵列连通标准电阻R2和R3中的其中任意一个，并重新判断。

作为优选的实施方式，所述步骤S101之前还包括诊断步骤：

所述控制器控制所述第一开关阵列S1和所述第二开关阵列S2分别选择连通其中一个标准电阻和所述参考电阻Rs；

所述AD转换器采集所述所连通的标准电阻和所述参考电阻Rs之间的分压值并将其数字化后传送给所述控制器；

所述控制器根据所述标准电阻与所述参考电阻Rs阻值之间的比例关系，以及所述稳压源的电压值，计算所述其中一个标准电阻和所述参考电阻Rs之间的理论分压值；

比较所述采集的分压值与所述理论分压值是否相一致，若一致，则表明整个电路正常，此时可使用该电路进行高精度温度采集，否则，表明电路出现故障。

本发明的一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路，通过开关阵列或类似电路，将标准电阻接入NTC温度测量回路，根据AD转换器所采集的分压值计算当前的温度值，并判断所接入的标准电阻是否合适，当不合适时，根据当前的温度重新选择合适的标准电阻，并重新接入回路测量温度值，提高了温度测量精度；此外，本发明通过开关组合控制、标准的电阻模拟接入，可以实现检测电路的故障诊断功能。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路，包括NTC温度传感器阵列、稳压源、AD转换器、控制器以及外部接口单元，其特征在于，还包括第一开关阵列、第二开关阵列以及标准电阻阵列，其中，

所述NTC温度传感器用于采集周围环境的温度；

所述稳压源用于给系统提供稳定电压源；

所述第一开关阵列与所述标准电阻阵列连接，用于在所述控制器的控制下选择连通所述标准电阻阵列中的其中一个，所述标准电阻为所述NTC温度传感器的温度范围划分成若干个区间后每个区内间的温度值所对应的电阻阻值的中间值；

所述第二开关阵列与所述NTC温度传感器阵列连接，用于在所述控制器的控制下选择连通所述NTC温度传感器阵列中的其中一个；

所述AD转换器用于采集所述连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号，并将所述分压信号进行模数转换；

所述控制器用于为所述第一开关阵列和所述第二开关阵列提供开关选择信号以及根据所述AD转换器的数字分压信号、所述标准电阻值以及所述稳压源的电压值计算所述NTC温度传感器的在当前环境下的阻值和温度值；

所述外部接口用于将所述NTC温度传感器的温度值提供给外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路，其特征在于，所述控制器还包括判断模块，用于判断所述数字分压信号的电压值是否处于所述稳压源电压值的35%至65%范围之内。

3.根据权利要求2所述的一种基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路，其特征在于，所述基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路还包括诊断单元，所述诊断单元包括参考电阻，所述参考电阻为已知阻值的备用电阻，所述参考电阻通过所述第二开关阵列连接至整个电路。

4.一种使用权利要求1至3任意一项所述的基于NTC温度传感器的高精度温度采集电路进行温度采集的方法，其特征在于，包括步骤：

一、所述控制器控制所述第一开关阵列和所述第二开关阵列分别选择连通其中一个标准电阻和其中一个NTC温度传感器；

二、所述AD转换器采集所述所连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号并将其数字化后传送给所述控制器；

三、所述控制器根据所述数字化后分压信号与所述稳压源电压值的比例关系，以及所述标准电阻的阻值确定当前环境下所述所连通的NTC温度传感器的电阻值；

四、根据所述当前环境下的NTC温度传感器的电阻值确定所述NTC温度传感器的温度值；

五、将所述NTC温度传感器的温度值通过所述外部接口发送给外部设备。

5.一种如权利要求4所述的温度采集的方法，其特征在于，所述步骤三之前还包括：

判断所述数字分压信号的电压值是否处于所述稳压源电压值的35%至65%范围之内，若是，则执行步骤三；否则，控制所述第一开关阵列连通其余的其中一个标准电阻，并重新采集所述所连通的标准电阻和所述所连通的NTC温度传感器之间的分压信号后，再重复所述判断。

6.一种如权利要求5所述的温度采集的方法，其特征在于，所述步骤一之前还包括诊断步骤：

所述控制器控制所述第一开关阵列和所述第二开关阵列分别选择连通其中一个标准电阻和所述参考电阻；

所述AD转换器采集所述所连通的标准电阻和所述参考电阻之间的分压值将其数字化后传送给所述控制器；

所述控制器根据所述标准电阻与所述参考电阻阻值之间的比例关系，以及所述稳压源的电压值，计算所述所连通的标准电阻和所述参考电阻之间的理论分压值；

比较所述采集的分压值与所述理论分压值是否相一致，若一致，则表明整个电路正常，否则，表明电路出现故障。