0．引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，許多情況下需要溫度測(cè)量，用來測(cè)量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。熱敏電阻靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、電阻值大等特點(diǎn),已廣泛于溫度測(cè)量和控制領(lǐng)域。在所有被動(dòng)式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時(shí)電阻的變化)最高，在溫室大棚內(nèi)，溫度測(cè)量精度一般在±0.5—1?C左右，在這種情況下，,熱敏電阻的引線長(zhǎng)度在100—200米，對(duì)測(cè)量造成的誤差可以忽略不計(jì)，使測(cè)量系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單、使用方便。

1．熱敏電阻的測(cè)量電路

在多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)中，熱敏電阻采用溫度-頻率法測(cè)量框圖，如圖1所示。

圖1溫度—頻率測(cè)量原理

圖1中，IC1是555時(shí)基集成電路，是一個(gè)典型的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,IC2是AT89C52單片機(jī)。R3是555電路輸出的電平上拉電阻，使輸出的高電平穩(wěn)定在5V，C2為抗干擾濾波電容，Rt為熱敏電阻，f是頻率信號(hào)輸出。

其中 f=1.442695041/（C1*（R1+2*Rt ））

從上式可以看出，當(dāng)C1、R1為固定值時(shí)，555時(shí)基電路的輸出頻率f僅僅與Rt有關(guān),而熱敏電阻的阻值Rt與測(cè)量的溫度有關(guān)。因此，需要測(cè)量的溫度由Rt熱敏電阻轉(zhuǎn)換成電阻值，通過555時(shí)基電路轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，單片機(jī)通過P3。5（T1口）對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量，就可以計(jì)算出測(cè)量的溫度值。

多路控制開關(guān)的組成與工作原理如圖2所示。

圖2 多路開關(guān)控制原理

在圖2中，IC2 為單片機(jī)，IC3、IC4為74LS138集成電路組成，J01--J16為繼電器。單片機(jī)的P1.0 – P1.2作為二個(gè)74LS138的地址，P1.3、P1.4作為二個(gè)74LS138的片選信號(hào),單片機(jī)改變P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4的值，就可以控制繼電器，使熱敏電阻依次接入，進(jìn)行溫度信號(hào)的測(cè)量。采用繼電器控制，減少了熱敏電阻接入路的接觸電阻，可以提高測(cè)量的精度。顯示設(shè)備為5位LED數(shù)碼管，2位用于顯示溫度信號(hào)的通道號(hào)，3位用于顯示溫度值，其中，2位整數(shù)，1位小數(shù)。

2．單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)為AT89C52，片內(nèi)有256B RAM和8KB的Flash ROM，可以反復(fù)多次改寫程序，十分方便。單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1工作在方式1，作為16位的外部脈沖計(jì)數(shù)器，記錄555電路輸入的脈沖數(shù)。單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0也工作在方式1，作為16位定時(shí)器用，記錄單片機(jī)CPU的時(shí)鐘脈沖。在編寫程序時(shí)，使T0的定時(shí)時(shí)間為0.1秒，通過T1在0.1秒內(nèi)測(cè)量到的脈沖數(shù)，就可以計(jì)算出頻率值，從而知道被測(cè)量的溫度值。參考程序如下：（CPU振蕩頻率為12MHz）

MOV TMOD，#15H ；設(shè)置 T0為16位計(jì)數(shù)方式，T1為16位定時(shí)方式

MOV TH0，#00H ；T0計(jì)數(shù)器清零

MOV TL0，#00H ；

MOV 30H，#14AH ；循環(huán)20次，使定時(shí)時(shí)間為0.1秒

SETB TR0 ；啟動(dòng)T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)

Y1：MOV TH1，#3CH ；T1定時(shí)器設(shè)置初值

MOV TL1，#ACH ；

SETB TR1 ；啟動(dòng)T1定時(shí)器開始計(jì)時(shí)

Y2：JBCTF1，Y3 ；判別T1定時(shí)器計(jì)時(shí)50mS到否，到則轉(zhuǎn)Y3

AJMP Y2 ；50mS未到，則繼續(xù)

Y3：DJNZ 30H，Y1 ；判別定時(shí)0.1秒到否，未到則繼續(xù)

CLR TR0 ；定時(shí)0.1秒到，清T0、T1溢出標(biāo)志

CLR TR1 ；

MOV 7BH，TH0 ；將測(cè)量的頻率值存放在7AH、7BH內(nèi)存中

MOV 7AH，TL0

在單片機(jī)進(jìn)行頻率采樣的時(shí)候，首先通過多路控制開關(guān)輸出某溫度測(cè)量信號(hào)的地址值，然后進(jìn)行溫度的測(cè)量。

3．測(cè)量信號(hào)的處理

3．1熱敏電阻的線性化處理

熱敏電阻的電阻值與溫度存在嚴(yán)重的非線性關(guān)系，當(dāng)頻率信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)CPU后，就可以應(yīng)用軟件的方法，例如最小二乘法，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱敏電阻的非線性校正。實(shí)踐證明，使用這種方法，在-20～80℃的范圍內(nèi)，其測(cè)量誤差可小于0.2℃。

3．2數(shù)據(jù)的濾波處理

在單片機(jī)測(cè)量到溫度信號(hào)以后，還需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)的濾波處理，減少測(cè)量過程中的干擾，最簡(jiǎn)單的方法是算術(shù)平均法。對(duì)N個(gè)采樣值，尋找一個(gè)Y值作為本次檢測(cè)的有效值，使Y值與各采樣值之間的偏差的平方和為最小，在具體應(yīng)用中，N值不宜太大，溫度測(cè)量取N=5-10為好，既保持一定的靈敏度，又有恰當(dāng)?shù)钠交?。?jì)算方法為：

Y=(X1+X2+….+XN)/N，式中X1、、、、X2、、….XN為N次檢測(cè)量

實(shí)踐證明用這種方法能正確測(cè)量溫度值。在獲得正確的測(cè)量值后，還需要將它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)際溫度值。

4．提高測(cè)量精度的幾個(gè)措施

4．1 頻率信號(hào)的穩(wěn)定性

在圖1中，R1、C1的熱穩(wěn)定性直接影響555時(shí)基集成電路的輸出頻率，要選擇溫度系數(shù)小的金屬膜精密電阻，C1采用CBB22的電容。R1、C1、555時(shí)基集成電路要經(jīng)過高、低溫老化穩(wěn)定后使用。每一路用精密電阻箱模擬熱敏電阻的溫度變化，測(cè)量實(shí)際的電阻-頻率的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，作為測(cè)量、計(jì)算的依據(jù)。

4．2 多路信號(hào)的輸入

為了克服由于555時(shí)基集成電路性能的離散性造成輸出頻率的誤差，多路熱敏電阻使用同一個(gè)R1、C1、555時(shí)基集成電路。各個(gè)熱敏電阻通過單片機(jī)控制繼電器來選擇信號(hào)的輸入。

4．3熱敏電阻形狀的影響

熱敏電阻的體積非常小，因此可以制造成各種形狀，有柱狀、珠狀、針狀、平面等，以適合不同的測(cè)量要求。應(yīng)該選擇合適形狀的熱敏電阻，使測(cè)量值能夠準(zhǔn)確地反映被測(cè)量的溫度值。對(duì)那些需要快速測(cè)量的場(chǎng)合，應(yīng)該盡量選擇體積小反應(yīng)快的傳感器，否則也會(huì)造成測(cè)量上的誤差。

4．4傳感器一致性的影響

傳感器的一致性差，會(huì)引起很大的測(cè)量誤差。熱敏電阻在作為精密的溫度傳感器使用，應(yīng)該選擇產(chǎn)品的互換性在0.1%以上，它的互換精度能夠達(dá)到0.025℃。

4．5溫度的標(biāo)定

在一定溫度下熱敏電阻的阻值是已知的，因此可以用電阻箱（例如旋轉(zhuǎn)式電阻箱ZX31）來模擬溫度的變化，使555電路的輸出頻率值符合要求。由于單片機(jī)的程序在計(jì)算方法和定時(shí)時(shí)間上會(huì)產(chǎn)生一些誤差，用最小二乘法求得的模擬公式也會(huì)產(chǎn)生誤差，這些都會(huì)直接影響測(cè)量的精度。所以在驗(yàn)證測(cè)量電路準(zhǔn)確無誤的情況下，再檢查驗(yàn)證單片機(jī)能否計(jì)算出準(zhǔn)確的溫度值，如果有誤差，必須仔細(xì)檢查程序，修改相關(guān)的語(yǔ)句，直到準(zhǔn)確為止。

在完成上述工作的基礎(chǔ)上，用精密恒溫槽，在-20-+80℃的范圍內(nèi)，設(shè)置5、6個(gè)溫度點(diǎn)，檢查熱敏電阻在這些溫度點(diǎn)的電阻值是否符合要求，然后把熱敏電阻的引線接到電路里，把熱敏電阻放在精密恒溫槽內(nèi)，觀察在各個(gè)溫度點(diǎn)上單片機(jī)的顯示值是否符合要求。如果符合要求，標(biāo)定工作結(jié)束。

5．結(jié)束語(yǔ)

在多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮了單片機(jī)的計(jì)算與線性化的作用，應(yīng)用555時(shí)基電路的電阻-頻率特性，以十分簡(jiǎn)單的電路得到高精度的溫度測(cè)量效果。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：本測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)巧妙地將熱敏電阻的溫度-電阻變化應(yīng)用于555時(shí)基電路，使單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換采用頻率采樣法，簡(jiǎn)化了電路，又提高了測(cè)量的精度。由于熱敏電阻的靈敏度高，電阻值大，熱敏電阻可以直接使用普通導(dǎo)線，測(cè)量距離達(dá)200米左右，這是其他傳感器難以實(shí)現(xiàn)的；由于只用一個(gè)555時(shí)基電路，使集成電路的離散性影響降到最低，并且大大降低了硬件的成本。