技术领域
[0001] 本
发明提供一种
热敏电阻式温度传感器，涉及使用热敏电阻检测温度的技术领域。
背景技术
[0002] 热敏电阻是一种常用的温度敏感元件，它廉价、温度灵敏度高，例如负温度系数热敏电阻NTC，但其阻温特性是非线性的，这对测温造成不小的麻烦，通常的做法是把热敏电阻与其它线性电阻
串联或并联，以减小其非线性；或者把热敏电阻的端
电压经A/D转换为对应的数字
信号，然后根据该
数字信号，通过在
存储器中查找比对存储的热敏电阻的阻温特性数据，进而确定测量的温度值，该方法测温程序简单，由于采用了A/D转换器，所以对测温所用的基准电压要求很高，也就是说测温的
精度严重依赖所用的基准电压；还有一种热敏电阻测温方法是基于一阶阻容
电路的暂态过程，它分别对阻容电路进行充电计时和放电计时，根据
定时器的两次计时结果通过计算得到热敏电阻相应阻值的编码，然后通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻的阻温特性数据，进而确定测量的温度值，该方法的测温精度高且与电压无关，但测温时间长，测温程序多，测温电路复杂。
发明内容
[0003] 根据以上
现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种测温精度高且测温方法简单的热敏电阻式温度传感器。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的方案是：本发明采用热敏电阻作为温度敏感元件，把该热敏电阻与电容串联，基于一阶阻容电路的暂态过程，使用定时器仅对该阻容电路的充电过程或放电过程进行一次计时，根据定时器此时的计时结果，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0005] 本发明提供了一种热敏电阻式温度传感器，它包括热敏电阻RT、电容C、二选一
电子开关K、电子开关KD、
控制器、存储器、数字定时器、比较器CMP、串口和基准电压Vr，其中二选一电子开关K包括两个输入端和一个公共端，某一时刻该公共端只能与其中的一个输入端接通，而与另一个输入端断开，热敏电阻RT作为测量温度的敏感元件，存储器中存储热敏电阻RT的阻温特性数据，比较器CMP实现对输入的热敏电阻RT或电容C的端电压与基准电压Vr进行比较，串口实现与外界数据或命令的输入或输出，控制器作为整个系统的核心，负责整个系统运行的控制和运算，其特征在于：热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再连接二选一电子开关K的公共端或接地，电容C的另一端连接二选一电子开关K的公共端或接地，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地，电容C与热敏电阻RT组成一阶阻容电路，通过对电容C的充电过程或放电过程实现测温过程，该测温过程基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应或零输入响应，在每次的测温过程中，数字定时器对电容C的充电过程或放电过程仅进行一次计时，当数字定时器溢出时或比较器CMP的输出结果表明热敏电阻RT或电容C的端电压达到基准电压Vr时，数字定时器停止计时，控制器根据此时数字定时器的计时结果，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值，该温度值通过串口输出至外界，其中基准电压Vr是
电源电压V的α倍，即Vr＝αV，其中α为小于1的正数。
[0006] 所述的基准电压Vr为固定基准电压或可调基准电压。
[0007] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程时，
硬件电路连接可有两种方案可供选择：
[0008] 1、热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再接地，电容C的另一端连接二选一电子开关K的公共端，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地。
[0009] 2、热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再连接二选一电子开关K的公共端，电容C的另一端接地，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地。
[0010] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程时，所述的热敏电阻式温度传感器的测温程序为：首先电子开关KD闭合，二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，经适当延时后，以实现电容C的完全放电，然后打开电子开关KD，再使数字定时器清零，设置数字定时器和比较器CMP的工作状态，清除数字定时器和比较器CMP的中断标志位，开放数字定时器和比较器CMP的中断，开放总中断，再把二选一电子开关K的公共端与其接电源V的输入端接通，启动数字定时器和比较器CMP,然后等待转换结果，在等待转换结果的过程中，当在数字定时器溢出前热敏电阻RT或电容C的端电压达到基准电压Vr时，比较器CMP向控制器发出中断
申请，控制器响应该中断申请，控制器停止数字定时器和比较器CMP,控制器根据此时数字定时器的计时值，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0011] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零输入响应实现测温过程时，热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再连接二选一电子开关K的公共端，电容C的另一端接地，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地。
[0012] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零输入响应实现测温过程时，所述的热敏电阻式温度传感器的测温程序为：首先电子开关KD闭合，二选一电子开关K的公共端与其接电源的输入端接通，经适当延时后，以实现电容C的完全充电，然后打开电子开关KD，再使数字定时器清零，设置数字定时器和比较器CMP的工作状态，清除数字定时器和比较器CMP的中断标志位，开放数字定时器和比较器CMP的中断，开放总中断，再把二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，启动数字定时器和比较器CMP,然后等待转换结果，在等待转换结果的过程中，当在数字定时器溢出前电容C的端电压达到基准电压Vr时，比较器CMP向控制器发出中断申请，控制器响应该中断申请，控制器停止数字定时器和比较器CMP,控制器根据此时数字定时器的计时值，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0013] 所述的热敏电阻式温度传感器校准测量温度值的方法是调节基准电压Vr或
软件修正。
[0014] 本发明所述的热敏电阻式温度传感器所具有的有益效果为：采用定时器进行数字编码，测温精度高；测温精度与基准电压无关，适应电压范围宽，可应用于使用
电池供电的场合；测温过程简单，测温时间短；硬件电路简单，易于实现；通
过热敏电阻的
电流小，持续时间短，不会产生热量干扰；结合集成电路技术，易于制作成廉价集成温度传感器。
附图说明
[0015] 图1所示为测温输入电压取自热敏电阻RT端电压的电路原理图；
[0016] 图2所示为测温输入电压取自电容C端电压的电路原理图；
[0017] 图3所示为电子开关KD的等效电路图；
[0018] 图4所示为应用本发明实现的多路温度传感器原理图；
[0019] 其中：K、二选一电子开关KD、电子开关Kd、电子开关KD的等效理想开关Rd、电子开关KD的等效电阻RT、热敏电阻C、电容Vr、基准电压CMP、比较器D、开关
二极管MCU、
单片机R1、R3、电阻R2、可调电阻RT1、RT2～RTn、热敏电阻V、电源电压
[0020] 还有，在图4中，I/O0、I/O1、I/O2～I/On为单片机MCU的输入/输出口，CMP+为单片机MCU中比较器的同相输入端，CMP-为单片机MCU中比较器的
反相输入端，TXD和RXD分别为单片机MCU的串口发送端和接收端。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0022] 本发明提供了一种热敏电阻式温度传感器，它包括热敏电阻RT、电容C、二选一电子开关K、电子开关KD、控制器、存储器、数字定时器、比较器CMP、串口和基准电压Vr，其中二选一电子开关K包括两个输入端和一个公共端，某一时刻该公共端只能与其中的一个输入端接通，而与另一个输入端断开，热敏电阻RT作为测量温度的敏感元件，存储器中存储热敏电阻RT的阻温特性数据，比较器CMP实现对输入的热敏电阻RT或电容C的端电压与基准电压Vr进行比较，串口实现与外界数据或命令的输入或输出，控制器作为整个系统的核心，负责整个系统运行的控制和运算，其特征在于：热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再连接二选一电子开关K的公共端或接地，电容C的另一端连接二选一电子开关K的公共端或接地，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地，电容C与热敏电阻RT组成一阶阻容电路，通过对电容C的充电过程或放电过程实现测温过程，该测温过程基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应或零输入响应，在每次的测温过程中，数字定时器对电容C的充电过程或放电过程仅进行一次计时，当数字定时器溢出时或比较器CMP的输出结果表明热敏电阻RT或电容C的端电压达到基准电压Vr时，数字定时器停止计时，控制器根据此时数字定时器的计时结果，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值，该温度值通过串口输出至外界，其中基准电压Vr是电源电压V的α倍，即Vr＝αV，其中α为小于1的正数。
[0023] 所述的基准电压Vr为固定基准电压或可调基准电压。
[0024] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程时，硬件电路连接可有两种方案可供选择：
[0025] 如附图1所示，热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再接地，电容C的另一端连接二选一电子开关K的公共端，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地。
[0026] 如附图2所示，热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再连接二选一电子开关K的公共端，电容C的另一端接地，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地。
[0027] 测温开始前，需要先把电子开关KD闭合，且二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，以把电容C完全放电至零，测温开始时，断开电子开关KD，且把二选一电子开关K的公共端与其接电源V的输入端接通，电路进入零状态的暂态响应过程。
[0028] 在图1中，基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应，在电容C充电的过程中，热敏电阻RT的端电压为 其中τ为时间常数，即τ＝RT·C。
[0029] 当在t＝t0时uRT(t)达到基准电压Vr，即uRT(t)＝Vr，令Vr＝αV(α为小于1的正数),则 从而t0＝-τlnα。
[0030] 令t0＝NT,其中N为数字定时器的计时值，T为数字定时器的计数脉冲周期，则NT＝-τlnα,所以
[0031] 由于电容量C、脉冲周期T和系数α均为定值，所以令 则N＝A·RT。热敏电阻RT的阻值与被测温度值通过某种函数关系联系在一起，即tw＝f(RT),其中tw表示被测温度值。
[0032] 在存储器中开辟连续的存储空间，存储空间的首地址为B，其中B为不小于零的整数，把温度值tw进行离散处理，即用存储器中存储单元地址表示被测温度值，存储单元中存储的内容为(A·RT)，则存储器中地址为(B+N)的存储单元数据为(A·RT)，所以存储器中的存储单元地址与存储单元数据形成了热敏电阻RT的阻温特性。
[0033] 可见，在存储器中存储的热敏电阻RT的阻温特性不是热敏电阻RT的厂家提供的阻温特性，而是根据式N＝A·RT变换后的数据。
[0034] 数字定时器的计时值N与热敏电阻RT的阻值呈线性关系，且与电压无关，根据数字定时器的计时值N和热敏电阻RT的阻温特性就可以确定测量的温度值。
[0035] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程时，所述的热敏电阻式温度传感器的测温程序为：首先电子开关KD闭合，二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，经适当延时后，以实现电容C的完全放电，然后打开电子开关KD，再使数字定时器清零，设置数字定时器和比较器CMP的工作状态，清除数字定时器和比较器CMP的中断标志位，开放数字定时器和比较器CMP的中断，开放总中断，再把二选一电子开关K的公共端与其接电源V的输入端接通，启动数字定时器和比较器CMP,然后等待转换结果，在等待转换结果的过程中，当在数字定时器溢出前热敏电阻RT的端电压达到基准电压Vr时，比较器CMP向控制器发出中断申请，控制器响应该中断申请，控制器停止数字定时器和比较器CMP,控制器根据此时数字定时器的计时值，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0036] 在图2中，基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应，在电容C充电的过程中，电容C的端电压为 其中τ为时间常数，即τ＝RT·C。
[0037] 当在t＝t0时uc(t)达到基准电压Vr，即uc(t)＝Vr，令Vr＝αV(α为小于1的正数),则从而t0＝-τln(1-α)。
[0038] 令t0＝NT,其中N为数字定时器的计时值，T为数字定时器的计数脉冲周期，则NT＝-τln(1-α),所以
[0039] 由于电容量C、脉冲周期T和系数α均为定值，所以令 则N＝A·RT。热敏电阻RT的阻值与被测温度值通过某种函数关系联系在一起，即tw＝f(RT),其中tw表示被测温度值。
[0040] 在存储器中开辟连续的存储空间，存储空间的首地址为B，其中B为不小于零的整数，把温度值tw进行离散处理，即用存储器中存储单元地址表示被测温度值，存储单元中存储的内容为(A·RT)，则存储器中地址为(B+N)的存储单元的数据为(A·RT)，所以存储器中的存储单元地址与存储单元数据形成了热敏电阻RT的阻温特性。
[0041] 可见，在存储器中存储的热敏电阻RT的阻温特性不是热敏电阻RT的厂家提供的阻温特性，而是根据式N＝A·RT变换后的数据。
[0042] 数字定时器的计时值N与热敏电阻RT的阻值呈线性关系，且与电压无关，根据数字定时器的计时值N和热敏电阻RT的阻温特性就可以确定测量的温度值。
[0043] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程时，所述的热敏电阻式温度传感器的测温程序为：首先电子开关KD闭合，二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，经适当延时后，以实现电容C的完全放电，然后打开电子开关KD，再使数字定时器清零，设置数字定时器和比较器CMP的工作状态，清除数字定时器和比较器CMP的中断标志位，开放数字定时器和比较器CMP的中断，开放总中断，再把二选一电子开关K的公共端与其接电源V的输入端接通，启动数字定时器和比较器CMP,然后等待转换结果，在等待转换结果的过程中，当在数字定时器溢出前电容C的端电压达到基准电压Vr时，比较器CMP向控制器发出中断申请，控制器响应该中断申请，控制器停止数字定时器和比较器CMP,控制器根据此时数字定时器的计时值，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0044] 以上是当基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程的
实施例。
[0045] 如附图2所示，当基于一阶阻容电路暂态响应中的零输入响应实现测温过程时，热敏电阻RT的一端连接电容C的一端、电子开关KD的一端和比较器CMP的一个比较输入端，热敏电阻RT的另一端连接电子开关KD的另一端后再连接二选一电子开关K的公共端，电容C的另一端接地，二选一电子开关K的一个输入端连接电源V，另一个输入端接地。
[0046] 测温开始前，需要先把电子开关KD闭合，且二选一电子开关K的公共端与其接电源的输入端接通，以把电容C完全充电至电压V，测温开始时，断开电子开关KD，且把二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，电路进入零输入的暂态响应过程。
[0047] 在图2中，基于一阶阻容电路暂态响应中的零输入响应，在电容C放电的过程中，电容C的端电压为 其中τ为时间常数，即τ＝RT·C。
[0048] 当在t＝t0时uc(t)达到基准电压Vr，即uc(t)＝Vr，令Vr＝αV(α为小于1的正数),则从而t0＝-τlnα。
[0049] 令t0＝NT,其中N为数字定时器的计时值，T为数字定时器的计数脉冲周期，则NT＝-τlnα,所以
[0050] 由于电容量C、脉冲周期T和系数α均为定值，所以令 则N＝A·RT。热敏电阻RT的阻值与被测温度值通过某种函数关系联系在一起，即tw＝f(RT),其中tw表示被测温度值。
[0051] 在存储器中开辟连续的存储空间，存储空间的首地址为B，其中B为不小于零的整数，把温度值tw进行离散处理，即用存储器中存储单元地址表示被测温度值，存储单元中存储的内容为(A·RT)，则存储器中地址为(B+N)的存储单元的数据为(A·RT)，所以存储器中的存储单元地址与存储单元数据形成了热敏电阻RT的阻温特性。
[0052] 可见，在存储器中存储的热敏电阻RT的阻温特性不是热敏电阻RT的厂家提供的阻温特性，而是根据式N＝A·RT变换后的数据。
[0053] 数字定时器的计时值N与热敏电阻RT的阻值呈线性关系，且与电压无关，根据数字定时器的计时值N和热敏电阻RT的阻温特性就可以确定测量的温度值。
[0054] 当基于一阶阻容电路暂态响应中的零输入响应实现测温过程时，所述的热敏电阻式温度传感器的测温程序为：首先电子开关KD闭合，二选一电子开关K的公共端与其接电源的输入端接通，经适当延时后，以实现电容C的完全充电，然后打开电子开关KD，再使数字定时器清零，设置数字定时器和比较器CMP的工作状态，清除数字定时器和比较器CMP的中断标志位，开放数字定时器和比较器CMP的中断，开放总中断，再把二选一电子开关K的公共端与其接地的输入端接通，启动数字定时器和比较器CMP,然后等待转换结果，在等待转换结果的过程中，当在数字定时器溢出前电容C的端电压达到基准电压Vr时，比较器CMP向控制器发出中断申请，控制器响应该中断申请，控制器停止数字定时器和比较器CMP,控制器根据此时数字定时器的计时值，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0055] 在电容C充电或放电的初期，电子开关KD和二选一电子开关K可能会流过一定的冲击电流，但实际的电子开关都具有一定的内阻，以电子开关KD为例，如图3所示，实际的电子开关KD可等效为一个等效电阻Rd与一个理想开关Kd的串联，该等效电阻Rd就是电子开关KD的内阻，它具有很好的限流作用，又由于电容C的容量很小，所以依靠电子开关KD和二选一电子开关K的内阻限流作用不会产生有害的电流脉冲。
[0056] 所述的热敏电阻式温度传感器校准测量温度值的方法是调节基准电压Vr或软件修正。
[0057] 根据上述可知，充电或放电时间t0与基准电压Vr有直接关系，调节基准电压Vr就可改变时间t0值，也就是改变NT值，而脉冲周期T值是一定的，所以调节基准电压Vr就可以改变数字计数器的计数值N，最终达到校准测量温度值的目的。
[0058] 还可采用软件修正的方法校准测量温度值，也就是在软件中对数字计数器的计数值N再加以修正后，才能得到最终所需要的测量温度值。
[0059] 依据本发明所述的热敏电阻式温度传感器可以很容易地实现多路温度的测量，如附图4所示，该例基于一阶阻容电路暂态响应中的零状态响应实现测温过程，其测温输入电压取自热敏电阻RT端电压，即使用热敏电阻RT的端电压与基准电压Vr相比较。
[0060] 在附图4中，单片机MCU内部集成了一个比较器CMP,CMP-和CMP+分别是该比较器的反相输入端和同相输入端，电阻R1、可调电阻R2和电阻R3依次串联，电阻R1的另一端接电源V，电阻R3的另一端接地，可调电阻R2的可调抽头连接至电阻R1与可调电阻R2的连接点后再连接比较器CMP的反相输入端CMP-,为比较器CMP提供基准电压Vr,热敏电阻RT1～RTn的一端、电容C的一端和开关二极管D的负极连接在一起后连接至比较器CMP的同相输入端CMP+，开关二极管D的另一端接地，电容C的另一端连接单片机MCU的输入/输出口I/O0,热敏电阻RT1～RTn的另一端分别连接单片机MCU的输入/输出口I/O1～I/On,开关二极管D起到附图1中电子开关KD的作用。
[0061] 在附图4中，以热敏电阻RT1的测温为例，其基本的的测温过程为：令单片机MCU的输入/输出口I/O1～I/On为高阻态或为输出低电平状态，单片机MCU的输入/输出口I/O0为强推挽输出态，且输出低电平，经适当延时后，以使电容C完全放电至零；测温开始时，热敏电阻RT1所连接的单片机MCU的一个输入/输出口I/O1为强推挽输出态，且输出低电平，其它热敏电阻所连接的单片机MCU的其它输入/输出口为高阻态，再使数字定时器清零，设置数字定时器和比较器CMP的工作状态，清除数字定时器和比较器CMP的中断标志位，开放数字定时器和比较器CMP的中断，开放总中断，再把单片机MCU的输入/输出口I/O0为强推挽输出态，且输出高电平，启动数字定时器和比较器CMP,然后等待转换结果，在等待转换结果的过程中，当在数字定时器溢出前热敏电阻RT的端电压达到基准电压Vr时，比较器CMP向单片机MCU里的控制器发出中断申请，单片机MCU里的控制器控制器响应该中断申请，单片机MCU里的控制器控制器停止数字定时器和比较器CMP,单片机MCU里的控制器控制器根据此时数字定时器的计时值，通过在存储器中查找比对存储的热敏电阻RT的阻温特性数据，进而确定测量的温度值。
[0062] 其它热敏电阻的测温过程与上述相同。
[0063] 当然，在不脱离本发明的
框架的情况下，还可以有其它的选择和发展以及我们能够预想得到的等效装置。
