CN114034919B - 一种基于单片机的电压采集装置及其温度补偿方法 - Google Patents

一种基于单片机的电压采集装置及其温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微电压测量技术领域的一种基于单片机的电压采集装置及其温度补偿方法，电压采集装置包括单片机、数据采集器、基准源和测温部件；数据采集器与单片机通过SPI接口通信连接；测温部件与单片机电连接，基准源与数据采集器电连接；数据采集器用于通过差分采样的方式采集电压信号；基准源用于为数据采集器提供电压基准；测温部件用于在数据采集器采集电压信号时，采集环境温度；单片机用于根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；并根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到温度补偿后的电压。本发明能准确测量微弱的电压信号，防止温度漂移带来的微弱电压信号测量不准确的问题。

Description

一种基于单片机的电压采集装置及其温度补偿方法
技术领域
本发明属于微电压测量技术领域，具体涉及一种基于单片机的电压采集装置及其温度补偿方法。
背景技术
高精度小信号的电压测量应用范围非常广泛，通常来说，在工业测试领域，很多信号都会转化为电压信号进行测量，例如温度、压力、湿度等信号，当上述信号发生微弱变化时，需要传感器或信号采集器能够准确分辨，另外，由于这些信号本身为微弱的小信号，当工作温度处于动态变化过程中时，温漂带来的影响很有可能覆盖有效信号，造成信号采集不准确。然而现有的技术搭载精度较差的硬件无法实现抑制器件温度漂移，同时采样精度不高。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于单片机的电压采集装置及其温度补偿方法，能准确测量微弱的电压信号，防止温度漂移带来的微弱电压信号测量不准确的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种电压采集装置，包括：单片机、数据采集器、基准源和测温部件；所述数据采集器与所述单片机通过SPI接口通信连接；所述测温部件与所述单片机电连接，所述基准源与所述数据采集器电连接；所述数据采集器用于通过差分采样的方式采集电压信号；所述基准源用于为数据采集器提供电压基准；所述测温部件用于在所述数据采集器采集电压信号时，采集环境温度；所述单片机用于根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；并根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到温度补偿后的电压。
进一步地，所述测温部件包括测温二极管Q1、电容C1和电阻R1；测温二极管Q1的负极端接地，测温二极管Q1的正极端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电压VCC；电容C1的一端接地，另一端接测温二极管Q1的正极端；测温二极管Q1的正极端与单片机的内置ADC接口连接。
第二方面，提供一种电压采集装置的温度补偿方法，基于第一方面所述的电压采集装置，包括：通过差分采样的方式采集电压信号；采集电压信号的同时，采集环境温度；根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到经温度补偿后的电压。
进一步地，所述特征温度下的温度补偿系数，通过以下方法确定：
PV/（SV×K）=A （1）
其中，SV为设定电压，K为归一化系数，PV为当加在数据采集器两端的电压为设定电压时，数据采集器采集的电压信号对应的数字量，A为特征温度下的温度补偿系数。
进一步地，所述采集的环境温度对应的实际温度补偿系数，通过以下方法确定：
（AT2-AT1）×(TNOW-T1)/(T2-T1)+AT1=ANOW （2）
其中，TNOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度，ANOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度下的温度补偿系数，T1为电压采集装置所处环境的环境温度所在特征温度区间的下限，T2为电压采集装置所处环境的环境温度所在特征温度区间的上限，AT2为特征温度T2对应的温度补偿系数，AT1为特征温度T1对应的温度补偿系数。
进一步地，所述根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，具体为：
PVNOW/ANOW×K=VIN （3）
其中，PVNOW 为当前数据采集器采集的电压信号对应的数字量，VIN为经过温度补偿修正后的电压，ANOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度下的温度补偿系数，K为归一化系数，根据采样精度及温度补偿精度进行调整。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过单片机、数据采集器、基准源和测温部件搭建基于单片机的高精度电压采集装置，能准确测量微弱的电压信号，防止温度漂移带来的微弱电压信号测量不准确的问题；采样精度可以达到万分之一，温漂低至2ppm。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于单片机的电压采集装置的工作原理示意图；
图2是图1中的测温部件的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，一种基于单片机的高精度电压采集装置，包括单片机、数据采集器、基准源和测温部件；数据采集器与单片机通过SPI接口通信连接；测温部件与单片机电连接，基准源与数据采集器电连接；数据采集器用于通过差分采样的方式采集电压信号；基准源用于为数据采集器提供电压基准；测温部件用于在数据采集器采集电压信号时，采集环境温度；单片机用于根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；并根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到温度补偿后的电压。
如图2所示，测温部件包括测温二极管Q1、电容C1和电阻R1；测温二极管Q1的负极端接地，测温二极管Q1的正极端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电压VCC（3.3V）；电容C1的一端接地，另一端接测温二极管Q1的正极端；测温二极管Q1的正极端与单片机的内置ADC（模拟数字信号转换器）接口连接；通过将测温二极管Q1与电容C1并联，可以保证测温稳定。
本实施例中测温二极管连接至单片机内置ADC，实时获取环境温度信号，为温度补偿提供依据。针对该装置的温度补偿方法是根据测温二极管采样温度以及数据采集器采样的电压数据，植入补偿算法，实现对电压采样的温度补偿。
本实施例通过单片机、数据采集器、基准源和测温部件搭建基于单片机的高精度电压采集装置，能准确测量微弱的电压信号，防止温度漂移带来的微弱电压信号测量不准确的问题；采样精度可以达到万分之一，温漂低至2ppm。
实施例二：
基于实施例一所述的一种基于单片机的高精度电压采集装置，本实施例提供一种基于单片机的高精度电压采集装置的温度补偿方法，包括：通过差分采样的方式采集电压信号；采集电压信号的同时，采集环境温度；根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到经温度补偿后的电压。
温度补偿的具体方法如下：
（1）确定电压采集装置采样电压范围，以及应用的温度范围，并将中间值作为特征电压，通过差分方式输入数据采集器的采样端，所述装置需要按照一定的温度间隔工作在不同温度下；
（2）对数据采集器采集的原始数据进行累加平均滤波处理，经过多次累加后，数据采集器的精度将会获得一定的提升，经过处理后得到采样电压对应的数字量；
（3）单片机通过特征温度下温度补偿系数标定公式PV/（SV×K）=A计算每个特征温度下温度补偿系数A，并将该系数与对应的工作温度记录在单片机的FLASH外设中；
特征温度下温度补偿系数标定公式为：
PV/（SV×K）=A （1）
其中，SV为设定电压，K为归一化系数，PV为当加在数据采集器两端的电压为设定电压时，数据采集器采集的电压信号对应的数字量，A为特征温度下的温度补偿系数；
（4）在电压采集装置正常工作时，测温部件采集当前环境温度，并根据EEPROM中的温度与特征温度点温度补偿系数，通过温度补偿系数求解公式得到当前环境温度下的温度补偿系数ANOW；
温度补偿系数求解公式为：
（AT2-AT1）×(TNOW-T1)/(T2-T1)+AT1=ANOW （2）
其中，TNOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度，ANOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度下的温度补偿系数，T1为电压采集装置所处环境的环境温度所在特征温度区间的下限，T2为电压采集装置所处环境的环境温度所在特征温度区间的上限，AT2为特征温度T2对应的温度补偿系数，AT1为特征温度T1对应的温度补偿系数；
（5）根据电压求解公式求解当前采样电压对应的数字量VIN；
电压求解公式为：
PVNOW/ANOW×K=VIN （3）
其中，PVNOW 为当前数据采集器采集的电压信号对应的数字量，VIN为经过温度补偿修正后的电压，ANOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度下的温度补偿系数，K为归一化系数，根据采样精度及温度补偿精度进行调整。
本实施例根据测温二极管采样温度以及数据采集器采样的电压数据，植入补偿算法，实现对电压采样的温度补偿。本发明的高精度电压采集装置可以实现万分之一的电压采样精度，利用温度补偿算法可以保证上述高精度电压采集装置温漂低至2ppm以下。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电压采集装置，其特征在于，包括：单片机、数据采集器、基准源和测温部件；所述数据采集器与所述单片机通过SPI接口通信连接；所述测温部件与所述单片机电连接，所述基准源与所述数据采集器电连接；
所述数据采集器用于通过差分采样的方式采集电压信号；
所述基准源用于为数据采集器提供电压基准；
所述测温部件用于在所述数据采集器采集电压信号时，采集环境温度；
所述单片机用于根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；并根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到温度补偿后的电压；
其中，所述特征温度下的温度补偿系数，通过以下方法确定：
PV/（SV×K）=A （1）
其中，SV为设定电压，K为归一化系数，PV为当加在数据采集器两端的电压为设定电压时，数据采集器采集的电压信号对应的数字量，A为特征温度下的温度补偿系数；
所述采集的环境温度对应的实际温度补偿系数，通过以下方法确定：
（AT2-AT1）×(TNOW-T1)/(T2-T1)+AT1=ANOW （2）
其中，TNOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度，ANOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度下的温度补偿系数，T1为电压采集装置所处环境的环境温度所在特征温度区间的下限，T2为电压采集装置所处环境的环境温度所在特征温度区间的上限，AT2为特征温度T2对应的温度补偿系数，AT1为特征温度T1对应的温度补偿系数；
所述根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，具体为：
PVNOW/ANOW×K=VIN （3）
其中，PVNOW为当前数据采集器采集的电压信号对应的数字量，VIN为经过温度补偿修正后的电压，ANOW为电压采集装置当前所处环境的环境温度下的温度补偿系数，K为归一化系数，根据采样精度及温度补偿精度进行调整。
2.根据权利要求1所述的电压采集装置，其特征在于，所述测温部件包括测温二极管Q1、电容C1和电阻R1；测温二极管Q1的负极端接地，测温二极管Q1的正极端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电压VCC；电容C1的一端接地，另一端接测温二极管Q1的正极端；测温二极管Q1的正极端与单片机的内置ADC接口连接。
3.一种电压采集装置的温度补偿方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的电压采集装置，包括：
通过差分采样的方式采集电压信号；
采集电压信号的同时，采集环境温度；
根据特征温度下的温度补偿系数，确定采集的环境温度对应的实际温度补偿系数；
根据实际温度补偿系数对电压信号进行修正，得到经温度补偿后的电压。
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