基于LM3S101 处理器的温度测量模块设计

摘要： 为了提高温度测量的精度，简化硬件电路设计，提出了以32 位ARM 处理器LM3S101 为核心，以热敏电阻为温度传感器的温度测量模块设计方案。该测温模块通过采用RC 充放电方式实现热敏电阻阻值的获取，避免使用A/D转换器，简化了硬件电路；数据处理通过对热敏电阻测温曲线的分段线性化及加窗平滑滤波的方式实现，减小了处理误差，提高了测温数据处理的精度和可靠性。所设计的测温模块经实验测试，测温精度能够达到0.2 ℃，工作稳定，可应用于各种需要温度测量场合。

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1 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0.1 kΩ 普通电阻；C 为0.1 μF 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P1.0、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：

由上述过程可得：

简化式（2）即可得到热敏电阻的阻值：

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ARM CortexTM-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[2]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8 KB 单周期的Flash ROM，2 KB 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ARM FiRM 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20 MHz。

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