CN105823570A - 一种高精度数字温度计及温度计算方法 - Google Patents

一种高精度数字温度计及温度计算方法 Download PDF

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CN105823570A CN201610313118.9A CN201610313118A CN105823570A CN 105823570 A CN105823570 A CN 105823570A CN 201610313118 A CN201610313118 A CN 201610313118A CN 105823570 A CN105823570 A CN 105823570A
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周秀成
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Abstract

一种高精度数字温度计及温度计算方法，属于技术设备领域。其特征在于：所述的温度采集单元包括作为温度传感器的热电阻以及比率电阻，恒流源输出端依次串联热电阻以及比率电阻，串联热电阻以及比率电阻的两端分别连接信号切换模块的两个输入端，信号切换模块的输出端依次经过信号放大模块和AD转换模块与中央处理单元相连，中央处理单元的输出端与显示单元相连，还设置有为恒流源、信号切换模块、信号放大模块、AD转换模块、中央处理单元以及显示单元提供工作电压的供电单元。本高精度数字温度计及温度计算方法，通过阻值比较的方法求出热电阻的阻值以及对应的温度值，避免了现有技术中通过查表得到温度值时误差较大的弊端，使测量更为精确。

Description

一种高精度数字温度计及温度计算方法
技术领域
一种高精度数字温度计及温度计算方法，属于温度检测技术领域。
背景技术
目前，在生物医药、精细化工、精密仪器、实验室、科研等领域对温度测量精度的要求极高，水银温度计虽然能满足一部分生产及实验需要，但由于其自身的局限性及缺点，有些机构已经用更便携的数字温度计取代了水银温度计。但是，传统的高精度数字温度计一般采用热电阻作为温度传感器，通过对温度传感器的电阻值进行采集，在得到热电阻的阻值之后，通过查表的方式对应得到相应的温度值。但是在现有技术中，由于热电阻本身存在一定的数值误差，且偏差值与温度值之间并非为线性关系，因此仅仅通过查表的方式得到温度值的方式并不能达到很高的精度。同时现有的数字温度计电路设计较为复杂、校准繁琐且需要更高精度的温度计或恒温设备，造成生产和校准高精度数字温度计非常不便且成本非常高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过阻值比较的方法求出热电阻的阻值以及对应的温度值，避免了现有技术中通过查表得到温度值时误差较大的弊端，使测量更为精确的高精度数字温度计及温度计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该高精度数字温度计，包括温度采集单元以及显示单元，其特征在于：所述的温度采集单元包括作为温度传感器的热电阻以及比率电阻，恒流源输出端依次串联热电阻以及比率电阻，串联热电阻的两端以及比率电阻的两端分别连接信号切换模块的两个输入端，信号切换模块的输出端依次经过信号放大模块和AD转换模块与中央处理单元相连，中央处理单元的输出端与显示单元相连，还设置有为恒流源、信号切换模块、信号放大模块、AD转换模块、中央处理单元以及显示单元提供工作电压的供电单元。
优选的，设置有为AD转换模块提供参考电压的基准源，基准源由所述的供电单元进行供电。
优选的，在所述的中央处理单元的输入端设置有用于向中央处理单元输入零度校准信号的零度校准单元。
优选的，在所述的中央处理单元的输入端设置有用于向中央处理单元输入数据锁存信号的数据锁存单元。
一种高精度温度计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a1，进行系统初始化以及AD转换初始化；
步骤a2，按照AD转换流程对温度采集单元输出的数据进行AD转换，并将转换得到的数据送至中央处理单元；
步骤a3，中央处理单元对AD转换后得到温度采集单元的数据进行比率计算，计算得到温度采集单元中温度传感器的电阻值；
步骤a4，中央处理单元根据温度采集单元中温度传感器的电阻值，按照电阻值与温度值的对应计算公式，计算得到温度传感器的电阻值所对应的温度值；
步骤a5，中央处理单元判断是否进行过零度校准流程，如果执行过零度校准流程，执行步骤a6，如果未执行过零度校准流程，执行步骤a7；
步骤a6，根据零度校准流程后存储的偏差值对步骤a4中换算得到的温度值进行修正；
步骤a7，通过显示单元对温度值进行显示。
优选的，步骤a2中所述的AD转换流程，包括如下步骤：
步骤b1，信号切换模块切换到第一通道，对比率电阻两端的电压进行采集；
步骤b2，信号放大模块对比率电阻两端的电压进行放大，放大之后送入AD转换模块内进行模数转换；
步骤b3，模数转换是否完成，如果完成，执行步骤b4，如果未完成，返回步骤b2；
步骤b4，中央处理单元读取AD转换后得到的比率电阻的AD转换数据；
步骤b5，中央处理单元对比率电阻的AD转换数据进行数据滤波；
步骤b6，信号切换模块切换到第二通道，对热电阻两端的电压进行采集；
步骤b7，信号放大模块对热电阻两端的电压进行放大，放大之后送入AD转换模块内进行模数转换；
步骤b8，模数转换是否完成，如果完成，执行步骤b9，如果未完成，返回步骤b7；
步骤b9，中央处理单元读取AD转换后得到的热电阻的AD转换数据；
步骤b10，中央处理单元对热电阻的AD转换数据进行数据滤波。
优选的，步骤a4中所述的电阻值与温度值的对应计算公式为：
在0℃～850℃温度区间：
在-200℃～0℃温度区间：t=-242.02+2.2228×R(t)+2.5859×10-3×[R(t)]2-4.826×10-6×[R(t)]3-2.8183×10-8×[R(t)]4+1.5243×10-10×[R(t)]5
其中R(t)为温度为t时热电阻的电阻值，R(0℃)为温度为0℃时热电阻的电阻值，且：A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7。
优选的，步骤a5中所述的零度校准流程，包括如下步骤：
步骤c1，将温度采集单元置于标准0℃的温度下足够长的时间；
步骤c2，待温度采集单元的输出值稳定后，对温度采集单元内的比率电阻和热电阻两端的电压分别进行采集，并分别经过信号放大、AD转换之后送入中央处理单元内；
步骤c3，中央处理单元通过比率计算得到热电阻在0℃时的电阻偏差值；
步骤c4，中央处理单元根据热电阻在0℃时的电阻偏差值对应得到热电阻在0℃下的温度偏差值，并存储该温度偏差值。
优选的，在进行所述的步骤a7时，中央处理单元对是否接收到数据锁存单元的数据锁存信号进行判断，如果接收到数据锁存单元的数据锁存信号，通过显示单元对锁存的温度值进行显示；如果未接收到数据锁存单元的数据锁存信号，通过显示单元对实时温度值进行显示。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、在本高精度数字温度计及温度计算方法中，通过在温度采集单元汇总设置比率电阻和热电阻，并采用同一恒流源将比率电阻和热电阻串联，因此通过阻值比较的方法求出热电阻的阻值，并通过计算公式求出对应的温度值，避免了现有技术中通过查表得到温度值时误差较大的弊端，使测量更为精确。
2、由于比率电阻和热电阻在AD转换单元内经过的信号放大模块、AD转换模块以及SPI通讯模块的相应处理电路完全相同，所以大大降低了信号处理误差。
3、通过设置数据锁定单元，可以向中央处理单元发送信号，通过数据锁定使得产品在离开测量介质时依然保持测量数据，为数据记录提供方便。
4、通过进行零度校准能够求出并存储温度传感器在0℃时的误差，从而方便在后续的计算中将该误差去除，提高整个产品的精度。
附图说明
图1为高精度数字温度计原理方框图。
图2为高精度数字温度计电路原理图。
图3为温度计算方法流程图。
图4为温度计算方法AD转换流程图。
具体实施方式
图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
如图1所示，高精度数字温度计，包括温度采集单元、AD转换单元、中央处理单元、零度校准单元、数据锁定单元、显示单元。还设置有对温度采集单元、AD转换单元、中央处理单元、零度校准单元、数据锁定单元、显示单元进行供电的供电单元。在AD转换单元内部内置有恒流源、信号切换模块、信号放大模块、AD转换模块以及SPI通讯模块。在图1中，以上单元和模块的连接关系中，黑色箭头表示数据流向，白色箭头表示供电流向。
温度采集单元的输出端与AD转换单元内信号切换模块的输入端相连，在AD转换单元内，信号切换模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与AD转换模块的输入端相连，AD转换模块的输出端通过SPI通讯模块与中央处理单元的输入端口相连并实现通讯，AD转化单元内的恒流源为温度采集单元进行供电。上述的零度校准单元以及数据锁定单元分别与中央处理单元的输入端连接，在中央处理单元的输出端还连接有显示单元。
供电单元同时与AD转换单元、中央处理单元、零度校准单元、数据锁定单元以及显示单元相连，为上述单元提供工作电压。还设置有与供电电源相连的基准源，基准源输出的电压分别连接到AD转换单元内的参考电压的输入端VREF+、VREF-上。
如图2所示，上述的温度采集单元包括依次串联的热电阻Rt，比率电阻Rref以及共模电阻Rcom，自AD转换芯片内的恒流源输出的电流信号依次流经热电阻Rt，比率电阻Rref以及共模电阻Rcom后接地，热电阻Rt为用于测温的温度传感器，在本高精度数字温度计中，热电阻Rt它采用PT100实现。在热电阻Rt的两端分别引出电压输出端VIN2+和VIN2-，在比率电阻Rref的两端分别引出电压输出端VIN1+和VIN1-，电压输出端VIN2+、VIN2-和电压输出端VIN1+、VIN1-分别接入AD转换芯片U2内部的多路转换器MUX，多路转换器MUX的输出端依次经过AD转换芯片U2内部的放大器PGA以及AD转换模块ADC连接SPI通讯模块的输入端，SPI通讯模块的端子CS、SCLK、DIN以及DOUT/RDY分别连接单片机U1的4~7脚。AD转换芯片U2为上述的AD转换单元，其内部的多路转换器MUX、放大器PGA、AD转换模块ADC以及SPI通讯模块分别为上述的信号切换模块、信号放大模块、AD转换模块以及SPI通讯模块，单片机U1为上述的中央处理单元，在本高精度数字温度计中，单片机U1采用型号为PIC18F2XK20的单片机实现；AD转换模块采用型号为AD7793的集成芯片实现。
电源转换芯片U4的输入端以电池B1作为外接电源，其输出端连接基准电源芯片U3的电源输入端，其输出端正负极分别连接AD转换芯片U2的参考电压的输入端VREF+、VREF-。电源转换芯片U4的输出端同时连接AD转换芯片U2、单片机U1以及显示芯片U5的电源输入端，为其工作提供电压，显示芯片U5的DI管脚和CLK管脚分别与单片机U1的16脚和15脚连接。电源转换芯片U4的输出端还分别并联电阻R1~R2的一端，电阻R1的另一端分别连接单片机U1的26脚和轻触按键S1的一端，轻触按键S1的另一端串联电阻R3接地；电阻R2的另一端分别连接单片机U1的22脚和自锁按键S2的一端，自锁按键S2的另一端串联电阻R4接地。电阻R1、电阻R3以及轻触按键S1组成上述的零度校准单元；电阻R2、电阻R4以及自锁按键S2组成上述的数据锁定单元。
在执行如图3所示的高精度的温度计算方法之前，可对本高精度数字温度计进行零度校准，根据JJG229-2010中对工业铂、铜热电阻的相关规定可知，AA级铂热电阻的允差值为：
△R=±（0.10+0.0017|t|）（1）
其中|t|为测量温度的绝对值。由此可知，铂热电阻在0℃时的误差是一个固定值而无需计算。因此通过对热电阻进行零度校准，可求得热电阻在0℃时的误差，零度校准的具体步骤为：
首先将温度采集单元置于标准0℃的温度下足够长的时间，待温度采集单元的输出值稳定后AD转换单元对温度采集单元内的比率电阻Rref和热电阻Rt两端的电压进行采集，并分别经过信号放大、AD转换之后通过SPI通讯模块送至中央处理单元内。然后计算并存储温度采集单元中的温度传感器在0℃下的温度偏差值。
如图3所示，高精度的温度计算方法，包括如下步骤：
步骤1001，开始。
开始进行温度计算。
步骤1002，系统初始化。
步骤1003，AD转换初始化。
AD转换单元进行初始化。
步骤1004，AD转换。
AD转换单元按照AD转换流程对温度采集单元输出的数据进行AD转换，并将转换得到的数据送至中央处理单元。
步骤1005，AD转换数据的计算。
中央处理单元根据AD转换单元送入的数据进行比率计算，计算得到温度采集单元中温度传感器的电阻值。
在AD转换流程中，中央处理单元分别得到比率电阻Rref的AD转换数据以及热电阻Rt的AD转换数据，并对两项电压数据进行比值计算，由于比率电阻的阻值为已知量，从而得到热电阻Rt的实际电阻值。由上述公式（1）可知，由于热电阻的阻值的偏差根据温度值的不同而不同，因此，通过设置精度较高且受温度影响较小的比率电阻，通过计算比值的方式计算得到热电阻的实际阻值，因此得到的热电阻的实际阻值更为精确。
步骤1006，电阻值-温度换算。
根据温度采集单元中温度传感器的电阻值，按照电阻值与温度值的对应计算公式，计算得到温度传感器的电阻值所对应的温度值。
根据IEC60751-2008Industrialplatinumresistancethermometersandplatinumtemperaturesensors的国际铂电阻Pt100标准规定，
Pt100铂热电阻的电阻-温度对应关系如下：
当温度值t为0℃～850℃时：
R(t)=R(0℃)×(1+At+Bt2)（2）
当温度值t为-200℃～0℃时：
R(t)=R(0℃)×[1+At+Bt2+C×(t-100℃)×t3]（3）
在上述公式（2）~（3）中，R(t)：温度为t时铂热电阻的电阻值；R(0℃)：温度为0℃时铂热电阻的电阻值，且：A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。
由公式（1）、（2）可以看出温度传感器Pt100铂热电阻的电阻-温度关系并非线性，而现有的标准Pt100铂热电阻的电阻-温度分度表的分辨率为1度，通过传统的查表法进行电阻温度转换实现高分辨率的温度值时，只能进行线性估算，误差较大。基于此，本设计采用了如下的计算公式：
0℃～850℃温度区间，根据公式（1）反推的温度和电阻的计算公式为：
（4）
-200℃～0℃温度区间，根据公式（2）进行多项式拟合的温度和电阻的计算公式为：
t=-242.02+2.2228×R(t)+2.5859×10-3×[R(t)]2-4.826×10-6×[R(t)]3-2.8183×10-8×[R(t)]4+1.5243×10-10×[R(t)]5（5）
步骤1007，是否进行过零度校准流程。
中央处理单元判断是否进行过零度校准流程，如果执行过零度校准流程，执行步骤1008，如果未执行过零度校准，直接执行步骤1009。
步骤1008，温度值修正。
根据零度校准后存储的偏差值对步骤1006中换算得到的温度值进行修正。
步骤1009，是否开启数据锁定功能。
中央处理单元判断数据锁定单元是否已经触发，如果已经触发，则执行步骤1010，如果未触发，则执行步骤1011。
步骤1010，显示锁定温度值。
步骤1011，显示实时温度值。
步骤1012，按键扫描处理，
中央处理单元根据按键的按下状态执行相应操作，并返回执行步骤1003。
如图4所示，上述步骤1004中所述的AD转换流程，包括如下步骤：
步骤2001，开始。
开始执行AD转换流程。
步骤2002，选择第一通道。
AD转换单元内的信号切换模块切换到第一通道，对比率电阻Rref两端的电压进行采集，
步骤2003，采样转换。
信号放大模块对送入信号切换模块第一通道的比率电阻Rref两端的电压进行放大，放大之后送入AD转换模块内进行模数转换。
步骤2004，是否转换完成。
AD转换单元判断模数转换是否完成，如果完成，执行步骤2005，如果未完成，返回步骤2003。
步骤2005，读取比率电阻Rref对应的AD转换数据。
中央处理单元读取AD转换单元送入的比率电阻Rref的AD转换数据。
步骤2006，数据滤波。
中央处理单元对比率电阻Rref的AD转换数据进行数据滤波。
步骤2007，选择第二通道。
AD转换单元内的信号切换模块切换到第二通道，对热电阻Rt两端的电压进行采集，
步骤2008，采样转换。
信号放大模块对送入信号切换模块第二通道的热电阻Rt两端的电压进行放大，放大之后送入AD转换模块内进行模数转换。
步骤2009，是否转换完成。
AD转换单元判断模数转换是否完成，如果完成，执行步骤2010，如果未完成，返回步骤2008。
步骤2010，读取热电阻Rt对应的AD转换数据。
中央处理单元读取AD转换单元送入的热电阻Rt的AD转换数据。
步骤2011，数据滤波。
中央处理单元对热电阻Rt的AD转换数据进行数据滤波。
步骤2012，返回。
AD转换流程结束。
具体工作过程及工作原理如下：
供电单元输出的电源分别为AD转换单元、中央处理单元、零度校准单元、数据锁定单元以及显示单元进行供电。温度采集单元由AD转换单元内的恒流源驱动工作。同时由供电单元提供工作电源而工作的基准源的输出端分别连接在AD转换单元参考电压的输入端VREF+、VREF-上。
在实际工作时，AD转换单元内的信号切换模块分别切换不同的通道，分别对温度采集单元内的比率电阻Rref和热电阻Rt两端的电压进行采集，并分别经过信号放大、AD转换之后通过SPI通讯模块送至中央处理单元内。中央处理单元将先后接收到的比率电阻Rref和热电阻Rt的AD转换数据进行数据滤波之后对两AD转换数据进行比值计算，由于比率电阻Rref的阻值为已知量，计算得到热电阻Rt的实际电阻值，由于比率电阻Rref和热电阻Rt在AD转换单元内经过的信号放大模块、AD转换模块以及SPI通讯模块的相应处理电路完全相同，所以大大降低了信号处理误差。
中央处理单元在计算得到热电阻Rt的电阻值之后，根据电阻值与温度值对应的计算公式计算得到热电阻Rt所在环境的温度值，并通过显示单元进行温度的显示。
在本高精度数字温度计出厂之前，可以对本高精度数字温度计进行零度校准，在进行零度校准时，将本高精度数字温度计置于标准的0℃装置内，待数据稳定后，按下轻触按键S1，中央处理单元接收到轻触按键S1触发后，通过上述的步骤1001~步骤1005，计算并存储温度采集单元中的温度传感器在0℃下的温度偏差值，用于实现日常测量时的温度修正。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种高精度数字温度计，包括温度采集单元以及显示单元，其特征在于：所述的温度采集单元包括作为温度传感器的热电阻以及比率电阻，恒流源输出端依次串联热电阻以及比率电阻，串联热电阻的两端以及比率电阻的两端分别连接信号切换模块的两个输入端，信号切换模块的输出端依次经过信号放大模块和AD转换模块与中央处理单元相连，中央处理单元的输出端与显示单元相连，还设置有为恒流源、信号切换模块、信号放大模块、AD转换模块、中央处理单元以及显示单元提供工作电压的供电单元。
2.根据权利要求1所述的高精度数字温度计，其特征在于：设置有为AD转换模块提供参考电压的基准源，基准源由所述的供电单元进行供电。
3.根据权利要求1所述的高精度数字温度计，其特征在于：在所述的中央处理单元的输入端设置有用于向中央处理单元输入零度校准信号的零度校准单元。
4.根据权利要求1所述的高精度数字温度计，其特征在于：在所述的中央处理单元的输入端设置有用于向中央处理单元输入数据锁存信号的数据锁存单元。
5.利用权利要求1~4所述的高精度数字温度计实现的高精度温度计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a1，进行系统初始化以及AD转换初始化；
步骤a2，按照AD转换流程对温度采集单元输出的数据进行AD转换，并将转换得到的数据送至中央处理单元；
步骤a3，中央处理单元对AD转换后得到温度采集单元的数据进行比率计算，计算得到温度采集单元中温度传感器的电阻值；
步骤a4，中央处理单元根据温度采集单元中温度传感器的电阻值，按照电阻值与温度值的对应计算公式，计算得到温度传感器的电阻值所对应的温度值；
步骤a5，中央处理单元判断是否进行过零度校准流程，如果执行过零度校准流程，执行步骤a6，如果未执行过零度校准流程，执行步骤a7；
步骤a6，根据零度校准流程后存储的偏差值对步骤a4中换算得到的温度值进行修正；
步骤a7，通过显示单元对温度值进行显示。
6.根据权利要求5所述的高精度温度计算方法，其特征在于：步骤a2中所述的AD转换流程，包括如下步骤：
步骤b1，信号切换模块切换到第一通道，对比率电阻两端的电压进行采集；
步骤b2，信号放大模块对比率电阻两端的电压进行放大，放大之后送入AD转换模块内进行模数转换；
步骤b3，模数转换是否完成，如果完成，执行步骤b4，如果未完成，返回步骤b2；
步骤b4，中央处理单元读取AD转换后得到的比率电阻的AD转换数据；
步骤b5，中央处理单元对比率电阻的AD转换数据进行数据滤波；
步骤b6，信号切换模块切换到第二通道，对热电阻两端的电压进行采集；
步骤b7，信号放大模块对热电阻两端的电压进行放大，放大之后送入AD转换模块内进行模数转换；
步骤b8，模数转换是否完成，如果完成，执行步骤b9，如果未完成，返回步骤b7；
步骤b9，中央处理单元读取AD转换后得到的热电阻的AD转换数据；
步骤b10，中央处理单元对热电阻的AD转换数据进行数据滤波。
7.根据权利要求5所述的高精度温度计算方法，其特征在于：步骤a4中所述的电阻值与温度值的对应计算公式为：
在0℃～850℃温度区间：
在-200℃～0℃温度区间：t=-242.02+2.2228×R(t)+2.5859×10-3×[R(t)]2-4.826×10-6×[R(t)]3-2.8183×10-8×[R(t)]4+1.5243×10-10×[R(t)]5
其中R(t)为温度为t时热电阻的电阻值，R(0℃)为温度为0℃时热电阻的电阻值，且：A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7。
8.根据权利要求5所述的高精度温度计算方法，其特征在于：步骤a5中所述的零度校准流程，包括如下步骤：
步骤c1，将温度采集单元置于标准0℃的温度下足够长的时间；
步骤c2，待温度采集单元的输出值稳定后，对温度采集单元内的比率电阻和热电阻两端的电压分别进行采集，并分别经过信号放大、AD转换之后送入中央处理单元内；
步骤c3，中央处理单元通过比率计算得到热电阻在0℃时的电阻偏差值；
步骤c4，中央处理单元根据热电阻在0℃时的电阻偏差值对应得到热电阻在0℃下的温度偏差值，并存储该温度偏差值。
9.根据权利要求5所述的高精度温度计算方法，其特征在于：在进行所述的步骤a7时，中央处理单元对是否接收到数据锁存单元的数据锁存信号进行判断，如果接收到数据锁存单元的数据锁存信号，通过显示单元对锁存的温度值进行显示；如果未接收到数据锁存单元的数据锁存信号，通过显示单元对实时温度值进行显示。
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