基于LM3S101 处理器的温度测量模块设计

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10 kΩ（或100 kΩ），B 值为3 950，1%精度热敏电阻，参考电阻RF选用10 kΩ（或100 kΩ），1%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， 结合上述热敏电阻阻值获取原理，给出该测温模块核心部分电路原理图，如图2 所示。

　　由图2 可看出，按上述的电容充放电热敏阻值检测原理进行硬件设计，核心部分电路较为简洁，避免了传统方式中A/D 器件的应用，达到了简化硬件电路设计，降低硬件成本的目的。同时，这种设计又不过多占用处理器的I/O 端口，对处理器资源的占用也较少。由于这种方式在阻值获取时需处理器具有较高的计数精度，而在阻值到温度值转换时需处理器具有较强的运算能力， 因此选用LM3S101 进行核心处理，其20 MHz 的时钟频率及ARMCortex-M 内核集成的硬件乘法单元对此有很好的保证。电路图中，其他部分简要说明：SP6201是集复位功能于一体的低压差线性稳压（LDO）器，将5 V 电源转换为处理器LM3S101 所需的3.3 V， 同时产生处理器工作所需的复位信号。电阻RF、RT、RS和电容C6构成RC 充放电电路，用以实现热敏电阻阻值的检测，与处理器通过PA2、PA3、PA4 3 个GPIO 接口相连。LM3S101 的10 和11 引脚使用其UART 功能，连接至电平转换电路，以实现模块通过串口的通信及温度数据发送功能。

2 数据处理及软件设计：

2.1 热敏电阻测温曲线的线性化处理：

热敏电阻的测温曲线反映了热敏电阻阻值与被测温度值之间的关系，由Steinhart-Hart 方程确定：

　　式中，RT是热敏电阻在T1温度下的电阻值；R 是热敏电阻在常温T2（T2=25 ℃）下的标称电阻值；B 值是热敏电阻的材料常数；T1和T2为开尔文温度。

由Steinhart-Hart 公式可知热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条非线性的指数曲线，直接使用该方程运算量大并且编程麻烦，需要进行线性化处理。由于该方程非线性程度较大，同时阻值到温度值的转换也是影响测温精度的主要原因之一，为使线性化处理不至于带来较大的误差，线性化过程进行了以下特殊处理：

1）如果用一条直线代替该指数测温曲线，则不管采用什么样的线性化处理方法，误差都比较大。为解决这一问题，在整个测温范围之内对该曲线进行了分段的线性化处理，使误差能够控制在合理的范围内；2）分段线性化时，对测温曲线的分段采用非等间隔分段，在曲线非线性程度较小的区域内采用5 ℃分段间隔，在曲线非线性较为严重的区域内，采用较小的1 ℃分段间隔，以减小处理误差；3）在每一段测温曲线的线性化处理中，采用最小二乘法确定直线方程，以减小直线拟合的均方误差。

实测结果证明，采用上述的线性化处理方法，可以有效提高处理精度，大大减小线性化处理的误差，保证测温的精度要求，同时运算速度也能得到保证。

2.2 测温数据的滤波处理：

测温模块工作过程中不可避免会受到噪声干扰。为减少测温过程中噪声干扰信号，特别是突发噪声的影响，提高测温模块的工作稳定性，需要结合滤波算法对测温数据进行滤波处理。这里采用简单的加窗平滑低通滤波的方法，即连续测量N 个值，取平均后作为测量的有效值，即：

　　在具体的应用中，N 越大对数据的平滑越好， 但N 过大会降低测温的速度和灵敏度。经实际试验，选择N=5~10 之间较为合适， 可在计算速度和平滑滤波效果之间取得较好平衡，实际应用中，可根据具体的测温要求进行合理设置。

2.3 测温模块的软件设计：

以上述的数据处理思路为基础，结合串口通信编程及必要的初始化处理工作，即可进行测温模块的软件设计。完成一次温度测量及测温结果传输的主流程如图3 所示。

　　整个模块的软件设计编程基于Crossworks1.7 开发环境进行，将整个程序的核心部分划分为4 个函数进行设计，即：

1）主函数，完成系统参数配置、端口初始化及滤波处理等功能；2）测温函数，完成热敏电阻的阻值获取，并将其转换为实际的温度值；3）测温结果传输函数，完成测温结果通过串口的发送传输功能；4）串口接收函数，通过串口接收控制指令，完成测温间隔时间、串口通信速率、平滑滤波加窗宽度、及测温结果显示格式等工作参数