CN106840440A - 一种基于mcu内部比较器的温度采集器及温度采集方法 - Google Patents

一种基于mcu内部比较器的温度采集器及温度采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于MCU内部比较器的温度采集器及温度采集方法，基于MCU内部比较器的温度采集器，包括充电电路模块、温度传感器模块、微处理器模块、信号转换模块、通信电路模块以及液晶显示模块；采用MCU内部比较器，外接充电电路，得到充电时间比，从而可以直接得到信号传来的电压，巧妙地减少了单独的AD转换器而达到精度高于8位A/D转换，减少了不必要的信号通道，提高了精度，且稳定性好，电路简单的温度采集器。

Description

一种基于MCU内部比较器的温度采集器及温度采集方法
技术领域
本发明涉及数字信号通信技术领域，尤其涉及一种基于MCU内部比较器的温度采集器及温度采集方法。
背景技术
温度是用来衡量物体冷热程度的物理量，同样，也是地面气象观测中常规要素之一，在气象业务中，对温度的测量精度要求是比较高的。随着科学技术的推进，现代数字化网络的发展越来越普遍，温度的采集，传输，转换，处理与存储等功能也成了气象业务和日常工业生产中必不可少的一部分。通常使用的人工气象观测法，是在室外空旷的草坪上，把测量温度的温度表和传感器都放入百叶箱里，并将其涂成乳白色且朝北开门，因为这样可以避免太阳直接辐射，并把投到百叶箱上的光辐射反射，不易吸热，避免误差。而在一般的自动气象观测站中，通常采用金属铂电阻及极细的金属丝元件来测量气温，地温测量有两部分硬件电路，即传感部分和采集器的温度通道部分。传感部分有地温传感器、地温转接盒和信号传输线；采集器的温度通道是温度信号的调理转换电路，安放在室内。地表温度的测量使用的是PT100铂电阻传感器，温度通道部分即信号调理转换电路。用热电偶进行温度采集，经过运放，利用二极管进行温度补偿后，进行数模转换得到数字信号，测出温度值，这是常用的温度采集过程。
采用PT100传感器采集到的温度信号为模拟信号，需要将此模拟信号转化为数字信号才能通过单片机处理数据，一般的方法是通过单独的AD转换芯片，便于电路的修改，使用方便灵活，但是精度低，成本高。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够兼顾成本低且精度高的一种基于MCU内部比较器的温度采集器及温度采集方法。
基于MCU内部比较器的温度采集器，包括充电电路模块、温度传感器模块、微处理器模块、信号转换模块、通信电路模块以及液晶显示模块；
充电电路模块由单电源和充电电路组成，为微处理器模块以及信号转换模块提供电源；
温度传感器模块采用PT100铂电阻，通过恒流源激励PT100铂电阻产生电压信号，将得到的温度信号转换为电信号，电信号在经过信号转换模块后送至微处理器模块处理；
微处理器模块采用单片机为控制核心，单片机内含2个精确模拟量比较器通过外接RC器件组成二路A/D转换器，每个比较器对应一个控制寄存器，且两个控制寄存器完全相同，利用外接RC电路进行供电，得到充电时间比，从而得到信号转换模块传来信号的电压，在电压比较相等的情况下，根据控制寄存器中计数器的计数结果，得到计算温度的准确参考值；
通信电路模块采用RS232串口，PC机通过RS232串口与微处理器模块连接；
液晶显示模块与微处理器模块连接。
优选的，液晶显示模块采用LM016L液晶显示屏。
优选的，通信电路模块采用MAX232芯片。
优选的，充电电源模块采用LM358单电源。
优选的，微处理器模块采用P87LPC762单片机。
一种温度采集方法，微处理器模块利用外接RC电路进行供电，通过充电时间的比值求出信号转换模块传来信号的电压，具体步骤如下：
打开单片机内部计数器，清零后，将比较器端口来自RC电路电压和信号转换模块传来信号的电压比对，直至二者数值相等，则单片机内部比较器的相关寄存器会置位，计数停止；若第一次充电时间为t1，第二次充电时间为t2，V1/V2＝(t1/t2)·ξ，ξ为已知系数，则知充电时间之间的比值，即能得到温度的电压值。
优选的，PT100铂电阻一分钟内采样六组温度数据，PT100铂电阻的测量范围为0℃-100℃，其分辨率为±0.1℃。
优选的，单片机操作频率为20MHz。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用MCU内部比较器，外接充电电路，得到充电时间比，从而可以直接得到信号传来的电压，巧妙地减少了单独的AD转换器而达到精度高于8位A/D转换，减少了不必要的信号通道，提高了精度，且稳定性好，电路简单的温度采集器。
附图说明
图1为本发明温度采集器原理结构框图；
图2为P87LPC762的内部比较器端口示意图；
图3为充电电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面就本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
温度采集器原理框图如图1所示，本发明基于MCU内部比较器的高精度温度采集系统，由充电电路模块，温度传感器模块，微处理器模块，信号转换模块，通信电路模块以及液晶显示模块，并同时连接至微处理器模块。
各单元电路组成及功能分别介绍如下：
(1)充电电源模块
充电电源模块由LM358单电源和充电电路组成，要求所测的温度值必须控制在电源输出的线性范围内，其主要为单片机以及信号转换电路提供电源。
(2)温度传感器模块
温度传感器模块是采用PT100铂电阻，恒流源激励PT100产生电压信号送至信号转换模块。温度传感器模块将得到的温度信号转换为电信号，电信号在经过信号转换模块后送至单片机处理。
(3)微处理器模块
微处理器模块采用的P87LPC762单片机，其可操作电压范围较宽，通过编程可选其高速和低速的晶振以及RC振荡方式。该单片机内含的2个精确模拟量比较器通过外接RC器件可组成二路A/D转换器。单片机P87LPC762的操作频率采用20MHz，其中有两个模拟比较器，每个比较器对应一个控制寄存器，CMP1，CMP2分别对应比较器1，比较器2，且两个控制寄存器完全相同。输入和输出选择允许比较器配置成为不同模式，当正向输入电压大于反向输入时，输出信号为“1”，其中使用一个输入口线时，内部参考电压值为Vref＝1.28V±10％，也可以通过外部管脚输入电压。当反向输入电压大于正向输入时，则输出信号为“0”。
微处理器模块是以P87LPC762单片机为控制核心，达到待测信号的电压比较，数模转换以及寄存器设置，并输出显示至上位机。利用外接RC电路，进行供电，控制所测温度范围，并通过充电时间的比值求出信号端的电压。其中比较器端口如图2所示，外接充电电路部分如图3所示，其测量过程是：为了避免外界热量影响测量的准确性，通过PT100铂电阻电桥电路得到稳定的分压值为2.5V(接下来采集一次结束，放电后重新充电)，然后将充电电路接比较器CMP端口，该电路采用的是LM358单电源，它的线性输出在区间1-4.5V，所测的温度也控制在1-4.5V。打开内部计数器，清零后，将比较器端口CMP P0.5与2.5V比对，直至二者数值相等，则MCU内部比较器的相关寄存器会置位，计数停止。此过程为一次采集结束，进行每一次测量前，必须把充电端CMP相关的端口CMPREF设置为开漏输出，用以放电，否则放电不充分，电压会累计，影响测量结果。在电压比较相等的情况下，此时计数器也立刻停止计数，计数的结果即为计算温度的准确参考值。
在计数器工作时，寄存器在T0端的下降沿到来时加1，检测到跳变的下一周期时，寄存器置位。计数频率最大为时钟频率的1/6。
当温度采集模块开始工作时，充电端CMP已得到充分放电。由充值电压已知为5V，可得出充电电压Vin＝5×(1-e-t/RC)，该式是电压和时间之间的关系。对于充电电路中可取R312、R313＝30kΩ，C306＝0.1μF，其中通过分压得到2.5V，当CMP端口为2.5V时，需要测量充电时间t，就能得到信号端的电压。若第一次充电时间为t1，第二次充电时间为t2，V1/V2＝(t1/t2)·ξ，ξ为已知系数。则知充电时间之间的比值，即能得到温度的电压值。得出温度的电压值后送到比较器端口进行比较，并将计数器置零，I/0口线功能由输出转为输入功能(高阻抗)，禁止数字信号输出功能。对于充电常数RC的取值，过大过小都会对测量结果造成影响。这一过程既完成了信号的传送和转换，也减少了额外的通道引起的大量误差，提高了测量精度，也降低了成本。
(4)信号转换模块
温度采集要求一分钟内采样六组数据，高频率地激励温度传感器易产生热效应，通过精密电阻法可避免电流引起的偏差。温度传感器模块将得到的温度信号转换为电信号，电信号在经过信号转换模块后送至单片机处理。恒流源激励PT100铂电阻产生的电压信号经过信号转换电路输出1-4.5V区间内的标准电压信号，送至比较器端口。PT100的测量范围为0℃～100℃,其分辨率为±0.1℃，一般PT100对应的输出电压为170mV～237mV，而比较器端口接受的电压范围在1-4.5V，故需经二级放大电路调整信号，得到比较器允许的电压范围之内。
(5)通信电路模块
通信电路模块采用的是RS232串口，芯片型号为MAX232。
(6)液晶显示模块
液晶显示模块采用LM016L液晶，能展现字符闪烁和移动等功能，并且该模块中的控制器功能强大，易操作。
基于MCU内部比较器的高精度温度采集系统电路特点
对于充电常数RC的取值，过大过小都会对测量结果造成影响。这一过程既完成了信号的传送和转换，也减少了额外的通道引起的大量误差，提高了测量精度，也降低了成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.基于MCU内部比较器的温度采集器，其特征在于：包括充电电路模块、温度传感器模块、微处理器模块、信号转换模块、通信电路模块以及液晶显示模块；
充电电路模块由单电源和充电电路组成，为微处理器模块以及信号转换模块提供电源；
温度传感器模块采用PT100铂电阻，通过恒流源激励PT100铂电阻产生电压信号，将得到的温度信号转换为电信号，电信号在经过信号转换模块后送至微处理器模块处理；
微处理器模块采用单片机为控制核心，单片机内含2个精确模拟量比较器通过外接RC器件组成二路A/D转换器，每个比较器对应一个控制寄存器，且两个控制寄存器完全相同，利用外接RC电路进行供电，得到充电时间比，从而得到信号转换模块传来信号的电压，在电压比较相等的情况下，根据控制寄存器中计数器的计数结果，得到计算温度的准确参考值；
通信电路模块采用RS232串口，PC机通过RS232串口与微处理器模块连接；
液晶显示模块与微处理器模块连接。
2.如权利要求1所述的基于MCU内部比较器的温度采集器，其特征在于：液晶显示模块采用LM016L液晶显示屏。
3.如权利要求1所述的基于MCU内部比较器的温度采集器，其特征在于：通信电路模块采用MAX232芯片。
4.如权利要求1所述的基于MCU内部比较器的温度采集器，其特征在于：充电电源模块采用LM358单电源。
5.如权利要求1所述的基于MCU内部比较器的温度采集器，其特征在于：微处理器模块采用P87LPC762单片机。
6.一种基于权利要求1温度采集器的温度采集方法，其特征在于：微处理器模块利用外接RC电路进行供电，通过充电时间的比值求出信号转换模块传来信号的电压，具体步骤如下：
打开单片机内部计数器，清零后，将比较器端口来自RC电路电压和信号转换模块传来信号的电压比对，直至二者数值相等，则单片机内部比较器的相关寄存器会置位，计数停止；若第一次充电时间为t1，第二次充电时间为t2，V1/V2＝(t1/t2)·ξ，ξ为已知系数，则知充电时间之间的比值，即能得到温度的电压值。
7.如权利要求6所述的温度采集方法，其特征在于：PT100铂电阻一分钟内采样六组温度数据，PT100铂电阻的测量范围为0℃-100℃，其分辨率为±0.1℃。
8.如权利要求6所述的温度采集方法，其特征在于：单片机操作频率为20MHz。
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