基于LM3S101处理器的温度测量模块设计

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。

　　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：

　　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。

1．4模块硬件电路设计

以ARM处理器LM3S101为核心，结合上述