CN104697659A - 一种采用ntc热敏电阻的温度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置与方法，包括电压源、NTC热敏电阻R_t、调节电阻R、参考电阻R_ref、数据选择器、A/D转换器，单片机以和显示器；通过单片机选通信号得到电压源电压和参考电阻电压，并应用高阶多项式计算出测定的温度值，由显示器显示。本发明测量装置结构简单、成本低廉、稳定性好、响应速度快、测量范围大；测量方法对电压源的稳压性能要求低，计算量小，测量精度高，非常适合应用于便携测量仪中。

Description

一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，具体是一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置与方法。

背景技术

基于NTC热敏电阻的测温方案具有灵敏度高、热容量小、响应速度快、阻值大、体积小、价格低、稳定性强等优点，在众多领域得到普遍应用。由于该传感器具有非线性强、互换性差等不足，影响了测量精度的提高。

目前主要采用硬件补偿方法与软件补偿方法：硬件补偿方法可在较小的温度范围内能够得到较高的精度补偿效果，但是超出此范围的测温精度较差且设计电路复杂，而且硬件补偿还受到电源波动、磁场、噪声、温度等环境因素的影响，精度往往不高，在实际应用中可靠性较差。软件补偿方法主要有曲线拟合方法、神经网络、支持向量机等方法。传统的曲线拟合多项式的各系数由最小二乘法确定，求解方程时就会遇到矩阵病态情况，且会出现部分测量点相对误差太大的问题，限制了该方法的应用。神经网络与支持向量机具有优良的函数逼近能力，但在单片机中实现较困难，在实际应用时需有上位机的配合，这也限制了该类方法在便携式测量仪中的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明公开了一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置与方法，提高了温度测量性能。

本发明采用的技术方案：一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置，包括电压源、NTC热敏电阻R_t、调节电阻R、参考电阻R_ref、数据选择器、A/D转换器，单片机以和显示器；所述的NTC热敏电阻R_t与调节电阻R并联后与参考电阻R_ref串联，再与电压源的两个端子相连接；电源输出端及参考电阻R_ref输出端与数据选择器的输入端连接；数据选择器输出端经A/D转换器与单片机连接；单片机输出端与显示器连接。

一种采用NTC热敏电阻的温度测量方法，包括以下步骤：

S1：单片机向数据选择器发出选通信号0，电源电压信号通过数据选择器，经A/D转换器转换后，测得电压源的电压值Us；

S2：单片机向数据选择器发出选通信号1，参考电阻R_ref电压信号通过数据选择器，经A/D转换器转换后，测得参考电阻R_ref的电压U_ref；

S3：以电压源电压与参考电阻R_ref电压的差Us-U_ref与参考电阻R_ref电压U_ref的比值(U_s-U_ref)/U_ref的归一化值为自变量，由单片机采用高阶多项式直接计算出被温度测量值，其测量结果由显示器输出。

本发明的有益效果：(1)测量装置结构简单、成本低廉、稳定性好、响应速度快、测量范围大；(2)测量方法对电压源的稳压性能要求低，计算量小，测量精度高，非常适合应用于便携测量仪中。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置，包括电压源、NTC热敏电阻R_t、调节电阻R、参考电阻R_ref、数据选择器、A/D转换器，单片机以和显示器；所述的NTC热敏电阻R_t与调节电阻R并联后与参考电阻R_ref串联，再与电压源的两个端子相连接；电源输出端及参考电阻R_ref输出端与数据选择器的输入端连接；数据选择器输出端经A/D转换器与单片机连接；单片机输出端与显示器连接。

实施例中，选用普通NTC热敏电阻，其电阻R_t为50K25℃，电压源Us为5V，调节电阻R为9.76K，参考电阻R_ref为1.82K，A/D转换器位数为16位。

一种采用NTC热敏电阻的温度测量方法，包括以下步骤：

S1：单片机向数据选择器发出选通信号0，电源电压信号通过数据选择器，经A/D转换器转换后，测得电压源的电压值Us；

S2：单片机向数据选择器发出选通信号1，参考电阻R_ref电压信号通过数据选择器，经A/D转换器转换后，测得参考电阻R_ref的电压U_ref；

S3：以电压源电压与参考电阻R_ref电压的差Us-U_ref与参考电阻R_ref电压U_ref的比值(U_s-U_ref)/U_ref的归一化值为自变量，由单片机采用高阶多项式直接计算出被测温度测量值，并由显示器输出测量结果。

其中，步骤S3中所述的高阶多项式采用6阶多项式，计算公式为：高阶多项式的系数a_i根据测量装置的标定数据应用量子粒子群优化算法进行选择与优化，其步骤如下：

S31：在常温常压环境下利用恒温箱做恒定热源，利用所述的测量装置对所用的NTC热敏电阻进行标定。实施例中，测量温度的范围选取为10～90℃，选定标定温度为10℃，15℃，20℃，……，80℃，85℃，90℃，得到17个(U_s-U_ref)/U_ref标定数据；

S32：将标定数据(U_s-U_ref)/U_ref归一化到[0,1]区间，归一化公式为：式中，y_i为第i个样本值，z_i为y_i归一化后的值，i＝1，2，…，17；

S33：将上述17个标定数据(U_s-U_ref)/U_ref的归一化值与对应的标定温度t(t＝10℃，15℃，20℃，……，80℃，85℃，90℃)构成17个数据样本对；

S34：应用量子粒子群优化算法按数据样本对的最大绝对误差和最大相对误差同时最小的准则进行整定高阶多项式的多项式系数。优化过程中，量子粒子群优化算法的收缩-扩张系数a从1.0采用线性减小至0.5，适应度函数表达式为： $\mathrm{fitness}=\max |T_i-{\hat{T}}_i|\·\max \left(\right|\frac{T_i-{\hat{T}}_i}{{\hat{T}}_i}|\×100\%),$ 式中，为高阶多项式输出值，T_i为高阶多项式期望输出值，max为取最大值函数，i＝1，2，…，17；

S35：应用上述17个数据样本对来训练6阶多项式系数，在适应度函数达到0.004时停止寻优，得到多项式的最优系数(a₀，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆)为(128.2971，-277.7058，295.4890，-78.8738，-116.2022，44.2216，14.8266)。

实际测量时，根据测量装置检测到(U_s-U_ref)/U_ref的归一化值为自变量，由单片机采用所得到的6阶多项式直接计算出被温度测量值。

实施例中，选用8个测试点进行测试，测量结果、测量绝对误差和相对误差如表1所示。由表1可见，8个测试点的平均绝对误差为0.2856/℃，平均相对误差为0.6275％。

表1

再选用另外8个测试点进行测试，测量结果、测量绝对误差和相对误差如表2所示。由表2可见，8个测试点的平均绝对误差为0.1208/℃，平均相对误差为0.2669％。

表2

由表1和表2可以看出，本发明提出的方法具有较好的泛化性能，达到了高精度温度测量的目的。

Claims (6)

1.一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置，其特征在于：包括电压源、NTC热敏电阻R_t、调节电阻R、参考电阻R_ref、数据选择器、处理器和显示器；所述的NTC热敏电阻R_t与调节电阻R并联后与参考电阻R_ref串联，再与电压源并联；NTC热敏电阻R_t的两端与数据选择器的输入端连接；数据选择器输出端与处理器输入端连接；处理器输出端与显示器连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置，其特征在于：所述的处理器采用STC89C51单片机。

3.根据权利要求1所述的一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置，其特征在于：所述的数据选择器采用SN74HCT157数据选择器。

4.根据权利要求1所述的一种采用NTC热敏电阻的温度测量装置，其特征在于：所述的数据选择器的输出端通过AD1380型A/D转换器与处理器输入端连接。

5.一种采用NTC热敏电阻的温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：单片机向数据选择器发出选通信号0，电源电压信号通过数据选择器，经A/D转换器转换后，测得电压源的电压值Us；

S2：单片机向数据选择器发出选通信号1，参考电阻R_ref电压信号通过数据选择器，经A/D转换器转换后，测得参考电阻R_ref的电压U_ref；

S3：以电压源电压与参考电阻R_ref电压的差Us-U_ref与参考电阻R_ref电压U_ref的比值(U_s-U_ref)/U_ref的归一化值为自变量，由单片机采用高阶多项式直接计算出被温度测量值，并由显示器输出测量结果。

6.根据权利要求5所述的一种采用NTC热敏电阻的温度测量方法，其特征在于：步骤S3中所述的高阶多项式，其系数根据测量装置的标定数据应用量子粒子群优化算法进行选择与优化，包括以下步骤：

S31：利用权利要求1所述的测量装置对所用的NTC热敏电阻进行标定，得到n个标定数据(U_s-U_ref)/U_ref；

S32：将标定数据(U_s-U_ref)/U_ref归一化到[0,1]区间，归一化公式为：其中y_i为第i个标定数据，z_i为y_i归一化后的值，i＝1，2，…，n；

S33：将标定数据(U_s-U_ref)/U_ref的归一化值与对应的标定温度t构成n个数据样本对；

S34：应用量子粒子群优化算法按数据样本的最大绝对误差和最大相对误差同时最小的准则进行整定高阶多项式系数；

S35：用数据样本训练高阶多项式系数，得到多项式的最优系数。