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(多图) 基于LM3S101处理器的温度测量模块设计

电子设计工程 西安工业大学 张峰 石现峰 张妮?? 2010年12月08日 ?? 收藏0

  温度信息是各类监控系统中主要的被控参数之一,温度采集与控制在各类测控系统中应用广泛。随着处理器技术的发展,在温度测量领域,ARM处理器以其高性能、低成本得到了广泛应用。以Luminary公司生产的32位ARM处理器LM3S101为核心,以热敏电阻为温度传感器,并通过引入RC充放电电路以及对热敏电阻测温曲线的分段线性化处理,实现了一种成本低、测温精度高的温度测量模块设计方案。经实际测量实验,这种设计方案在整个测温范围内能够达到较高测温精度,且模块通用性强、成本低且应用广泛。

  1测温模块硬件原理

  1.1温度信息的获取

  实现温度的检测需要使用温度传感器。温度传感器种类很多,热敏电阻器是其中应用较多的一种,具有灵敏度高、稳定性好、热惯性小、体积小、阻值大及价格便宜等特点,广泛应用于温度测控领域。热敏电阻应用于温度检测,最核心的一个工作就是要比较精确地获取热敏电阻的阻值变化。常见的处理方式是通过外加电源,把热敏电阻的阻值变化转换为电压或电流变化,再通过A/D转换器进行转换后将数字量传送给处理器进行处理。这种方式硬件电路设计及数据处理相对麻烦,成本较高,并且所获取的热敏电阻阻值精度受电源稳定性和A/D转换器的位数限制,一般比较低,对测温精度造成较大影响。同时,由于热敏电阻的非线性,为提高测温精度通常还需要附加较复杂的补偿电路。在设计中,为解决这一问题,将RC充放电采样方式引入到热敏电阻的阻值测量中,将阻值转换为电容的充放电时间进行检测,原理如图1所示。

温度信息的获取

  图l中,P1.0、P1.1和P1.2均是处理器的通用I/O口,RF为精密参考电阻,RT为检测温度的热敏电阻,RS为0.1kΩ普通电阻:C为O.1μF普通电容。

  实现热敏电阻阻值获取的步骤及原理如下:1)先将端口P1.O、P1.1、P1.2都设为低电平输出,使电容C完全放电。2)将P1.1、P1.2设置为输入状态,P1.0设为高电平输出,通过电阻RF对C充电,处理器内部计时器清零并开始计时,检测P1.2口状态,当P1.2口检测为高电平时,即电容C两端的电压达到处理器I/O口高电平输入的门嵌电压时,计时器停止计数,记录下从开始充电到P1.2口检测到高电平的时间T1。3)将P1.0、P1.1、P1.2再次设为低电平输出,使C完全放电。4)再将P1.0、P1.2设置为输入状态,P1.1设为高电平输出,通过热敏电阻RT对C充电,再进行步骤2)相同的过程,记录下时间T2。

  热敏电阻的阻值由T1和T2确定。RC充放电电路中,电容C两端的电压确定为:

  电容C两端的电压

  由式(3)计算出热敏电阻阻值后,通过热敏电阻测温曲线,即可把阻值转换为对应的温度值,实现温度信息的获取。

  1.2处理器的选型

  处理器是整个测温模块的控制及数据处理的核心。特别是在本设计中,由于热敏电阻的阻值需要直接由处理器进行检测,其性能会对测温效果、精度、数据处理速度等产生较大影响。综合处理器速度、性能与价格的考虑,选用ARM处理器LM3S101。LM3S101是基于ARMCortexTM-M3内核的控制器,该器件是32位处理器,采用哈佛架构、Thumb-2指令集,主要特点如下:1)具有32位RISC性能;2)具有2个内部存储器,内部集成了8KB单周期的FlashROM,2KB单周期的SRAM;3)具有2个32位的通用定时器,其中每个都可配置为1个32位定时器或2个16位定时器,同时还有遵循ARMFiRM规范的看门狗定时器;4)具有同步串行接口SSI,和UART串行接口,具有很强的信号传输功能;5)2~18个GPIO端口,可编程灵活配置;6)时钟频率达到20MHz。

  除此之外,该款处理器由于采用CortexTM-M3内核,支持单周期乘法运算,这在测温数据处理时会有较高的数据处理速度与效率。同时,该处理器成本低。

  1.3影响测温精度的主要因素

  由于采用RC充放电的方式获取热敏电阻阻值,因此整个测温模块所需外围元件很少,热敏电阻阻值获取的精度是影响模块测温精度的主要因素之一。由热敏电阻阻值获取原理可以看出,影响测温精度的主要因素有:1)参考电阻RF的精度;2)热敏电阻RT的精度;3)处理器内部定时器的位数与精度。处理器工作频率越高,定时器位数越大,则处理精度越好。

  阻值获取的精度是与处理器的输出电压值、门限电压值、电容C的精度、电阻RD的精度无关的,因此只要合理选择处理器和高精度的RF与RT,就可以使热敏电阻阻值的测量有较小的误差。为保证测温精度,热敏电阻RT选用标称值为10kΩ(或100kΩ),B值为3950,1%精度热敏电阻,参考电阻RF选用10kΩ(或100kΩ),l%精度的金属膜电阻。


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LM3S101? 温度测量? 热敏电阻? RC充放电?

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