《自动化仪表》第25卷第9期 2004年9月
3 控制系统软件的设计
系统控制软件包含主程序、显示子程序、A/D 转换子程序、键盘子程序、PID 及纯滞后补偿子程序、定时中断子程序、PW M 子程序7个模块。控制算法程序流程如图6所示。
PID 参数、PW M 周期均可调。因此, 该算法可适应于各
类电热管加热类负载。
参考文献
1 王福瑞, 等. 单片微机测控系统设计大全[M].北京航空航天大学
出版社,1998. 4:338～350
2 赖寿宏. 微型计算机控制技术[M].机械工业出版社,2000:88～1003 邹其洪, 李传琦, 赵艳辉, 王旭东. 用算法实现工业窑炉微机温度
4 结束语
应用PW M 算法的电加热系统控制算法有效地解决了一阶惯性加纯滞后环节类对象易引起系统产生超调或者振荡、从而使系统稳定性降低的问题, 整个系统硬件构成简单, 控制精度高, 超调小, 可靠性高, 而且
控制[J].计算机自动测量与控制,2002(1) :35～36
修改稿收到日期:2004-04-27。
第一作者张秀香, 女,1956年生,1983年毕业于甘肃电大电子专业大专班, 实验师; 主要从事自动化技术、计算机智能控制技术的教学与应用研究, 在国内刊物上发表多篇论文。
NTC Linearization and Application of NTC Thermistor
沙占友 王彦朋 杜之涛
(河北科技大学, 石家庄 050054)
摘 要 介绍了负温度系数(NTC ) 热敏电阻的特性, 阐述了NTC 热敏电阻线性化的原理、改善NTC 热敏电阻非线性的方法及其在测温系统中的应用。
关键词 NTC 热敏电阻 温度系数 非线性 智能温度传感器 单片机
Abstract The characteristics of negative tem perature coefficient (NTC ) therm istor are introduced , and the principle of linearization of NTC therm istor are described. The method of how to im prove non 2linearity of NTC therm istor is stated and applications in tem perature measurement system are expound 2ed.
K ey w ords NTC therm istor T em perature coefficient N on 2linearity Intelligent tem perature transducer Single chip com puter
NTC (负温度系数) 热敏电阻的测温范围比集成温
) , 而价格又比铂热电阻度传感器宽(最高可达+250℃
d R αT =
R T
d T
(1
)
低廉, 被广泛应用于工业测温领域。但由于NTC 热敏电阻属于非线性元件, 因此必须进行线性化处理。利用外部电阻和智能温度传感器来实现NTC 热敏电阻线性化的方法, 其优点是电路简单、成本低廉, 可同时对多路NTC 热敏电阻做线性化处理, 并能在此基础上构成多通道温度测量系统。
1 NTC 热敏电阻的特性
NTC 热敏电阻的电阻值(R T ) 与热力学温度(T )
图1 电阻值与热力学温度的典型曲线
的典型曲线如图1所示。由图可见, 当温度升高时
R T 迅速减小。NTC 热敏电阻温度系数αT 的定义式可表示为28
NTC 热敏电阻值与热力学温度的准确表达式为
R T =Ae
B/T
(2)
式中:A 、B 为由半导体材料和加工工艺所决定的两个
PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION, V ol. 25, N o. 9, Sep. , 2004
NTC 热敏电阻的线性化及其应用 沙占友, 等
常数, B 值为热敏指数。
设在某一温度T 0下的电阻值为R T 0, 有关系式
R T 0=Ae
B/T 0
M AX 6691内部主要包括5部分:①1124V 基准电
压源; ②由四选一模拟开关构成的多路转换器(M UX ) ;
(3)
③缓冲放大器; ④PW M 转换器及单线I/O 接口; ⑤控制逻辑。外围元件中,R T ～R T 代表4只NTC 热敏电
1
4
将式(2) 除以式(3) 后得到
R T =R T 0e
(T 0-T ) /T 0・B ・T
(4)
阻,R Ext 为外部电阻,R C 为I/O 端上拉电阻,C 为滤除电源噪声的电容。
M AX 6691的测温原理如下:首先通过自动切换多
对式(4) 两边取对数后整理成
B =
T 0T (ln R T -ln R T )
T 0-T
(5)
路转换器(M UX ) 依次检测4只NTC 热敏电阻的电压, 然后进行缓冲放大, 再利用PW M 转换器把电压信号变成脉宽信号, 由单线I/O 接口送给单片机(μC ) , 最后由μC 分别计算出4路被测温度的数值。测量准确度为
015%, 015%温度
利用式(5) 可以计算出B 值。
最后将式(2) 代入式(1) 中并进行微分后可得到αT =
Ae
B/T
・Ae B/T -2
T =-2T
(6)
这表明αT 并非一个常数, 而是温度的函数, 它与热力学温度的平方成反比, 且为一负值。由此可见,NTC , 度升高而减小, 这是造成原因。
值) , , 一旦出现6691处于休眠模式,I/O 端呈高电U CC 。测量开始时, 单片机首先把I/O 端置成低电
μ平并至少保持5s 时间, 然后释放I/O 端。M AX 6691的T 1～T 4端就依次连接到热敏电阻R T ～R T 上, 再经
1
4
2 NTC 通常利用单片机对NTC 热敏电阻进行线性化, 不仅电路复杂, 而且要做大量的计算。下面介绍一种利用四通道智能温度传感器M AX 6691实现NTC 热敏电阻线性化的电路, 如图2所示。T 1～T 4分别接4只热敏电阻。在R +与R -之间接外部电阻R Ext 。U CC 、G
ND 分别为电源端和地。I/O 为漏极开路的单线输入/输
Ω的上拉电阻。该芯片适配热敏电出接口, 外部接10k 阻并具有单线I/O 接口。
过R Ext 接基准电压U Ref , 测量过程需102ms (典型值) 。测量结束时,M AX 6691先把I/O 端拉成低电平并保持
μ125s , 然后按照顺序输出4个脉宽信号t H (t H 1～t H 4) ,
t H 即表示高电平持续时间, 它与外部电阻R Ext 上的压
降U Ext 成正比。t L 代表低电平持续时间, 它与U Ref 成正比, 因U Ref 为固定值, 故t L 恒定不变, t L =419ms 。t H /
t L 比值的表达式为
[3]
=-0. 0002=-0. 0002(7) t L U Ref R Ext +R T R T =
t H /t L +0. 0002
-1・R Ext (8)
利用单片机很容易测出每一路温度所对应的t H /t L 比值, 进而计算出R T 值, 再根据外部存储器中的R T 与温度对照表确定该路温度值。测量过程中, 若检测到第3路热敏电阻R T 发生了开路或短路故障, 则输出的
3
μs 的窄脉冲, 第3个脉宽信号就变成了脉宽仅为122
称之为故障脉冲, 其脉宽小于5%t L 。利用这一特点, μC 很容易识别出来并通过故障报警使扬声器发声。
图2 NT C 热敏电阻线性化电路
M AX 6691既可配负温度系数(NTC ) 热敏电阻, 又
3 改善NTC 热敏电阻非线性的方法及使用注
可配正温度系数(PTC ) 热敏电阻。在测量气体或液体温度时, 使用NTC 热敏电阻更为普遍。热敏电阻的测温范围可以超出芯片的工作温度。例如配10K 3A1IA 型NTC 热敏电阻时,M AX 6691的测温范围是-80℃～
+150℃, 而M AX 6691的工作温度范围仅为-55℃～+125℃。
意事项
NTC 热敏电阻与温度呈非线性关系, 必须进行线性化处理。具体方法是首先给R T 串联一只合适的外部电阻R Ext , 然后接到1124V 基准电压U Ref 上, 再利用
M AX 6691测量R Ext 上的电压, 即可在所选温度范围内
将NTC 热敏电阻的非线性减至最小。
29
《自动化仪表》第25卷第9期 2004年9月计算R Ext 的步骤如下:
(1) 确定所要测量的温度范围(例如0℃) ; ～+70℃(2) 在该温度范围内确定热敏电阻的最小值R min
(对应于最高温度, 例如+70℃) 、最大值R max (对应于) 和中间值R mid (对应于中间温度, 这最低温度, 如0℃) ; 里为+35℃
(3) 最后, 利用下式计算出R Ext 值[3]:
R Ext =
R (R +R ) -R R R max +R min -2R mid
(9
)
图4 线性化前后的电阻值-温度特性曲线
在改善NTC 热敏电阻非线性时应注意以下事项:
①NTC 。实际上, 热敏电阻在+℃(R 0) 和在规定温度R T ) B , 均指其内部发, , 这时热敏电阻上的功耗接近于零, 称作“零功率”。举例说明, 一只典型的热敏电阻的热阻其每单位功耗所对应的温升为1mW/℃。如果
Ω的NTC 热敏电阻与5110Ω的外部电选用一只10k
阻进行串联后接+5V 电压, 那么在+40℃时因热敏电阻发热而产生的测温误差大约为1122℃。由于
M AX6691使用很低的基准电压作激励源, 并且在一
图3 t H t L 仍以10K 3A1IA 型NTC 热敏电阻为例, 假定所需
温度范围是0℃～+70℃。在70℃时R min =175116Ω; 在0℃时, R max =3265018Ω; 在中间温度35℃时, R mid =653011Ω。一并代入式(9) 中计算出R Ext 的最佳电阻值为2535196Ω。当温度范围改变时, 应重新确定R Ext 值。串联上合适的R E xt , 可显著改善NT C 热敏电阻的非
Ω时, t H /t L 与温度线性。使用10K 3A1I A , 选择R Ext =7680的关系曲线如图3所示。与图1相比,M AX 6691输出的
t H /t L 值与温度的关系曲线更接近于线性。对10K 3A1I A
个测量周期内每只热敏电阻的通电时间仅为25ms ,
μ因此在相同条件下热敏电阻的功耗还不足1W , 所产生的温度误差可忽略不计。
②M AX 6691还可以配其他型号的NTC 热敏电阻, 例如Dale 公司生产的1M 1002型、Therm ometrics 公司生产的C100Y 103J 型或国产与之相对应的其他型号。
参考文献
1 沙占友. 内燃机测试仪器的原理与维修. 国防工业出版社,19852 沙占友, 等. 智能化集成温度传感器原理与应用. 机械工业出版
进行线性化前后的电阻值对照情况见表1, R ′T 为线性化后的等效电阻值。根据表1所列出的数据绘出的电阻值
-温度特性曲线如图4所示, 图中的虚线表示线性化后
的特性曲线。不难看出, 在0℃～+70℃温度范围内
10K 3A1I A 的非线性已得到明显改善。
表1 10K 3A1IA 在线性化前后的电阻值对照表
T /℃
R T /Ω
t H /t L
R ′T /Ω
社,2002
3 M AXI M 公司. F our 2Channel Therm istor T em perature 2to Pulse 2width C on 2verter , 2002
修改稿收到日期:2003-10-08。
[**************]
32650. 819903. 512493. 78056. 05324. 93601. 02487. 11751. 6
0. 180. 270. 370. 480. 580. 670. 760. 81
34939. 320743. 413065. 58313. 35556. 83779. 32422. 61799.
1
第一作者沙占友, 男,1944年生,1968年毕业于南开大学, 教授; 主要从事数字化测量、智能传感器系统的教学与研究工作, 已发表论文多篇, 出版专著20部。
科 学 名 言
要研究一切事物, 使智慧在你的心目中处于首位, 并以智慧来指导自己。
———毕拉哥拉斯
30
PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION, V ol. 25, N o. 9, Sep. , 2004
《自动化仪表》第25卷第9期 2004年9月
3 控制系统软件的设计
系统控制软件包含主程序、显示子程序、A/D 转换子程序、键盘子程序、PID 及纯滞后补偿子程序、定时中断子程序、PW M 子程序7个模块。控制算法程序流程如图6所示。
PID 参数、PW M 周期均可调。因此, 该算法可适应于各
类电热管加热类负载。
参考文献
1 王福瑞, 等. 单片微机测控系统设计大全[M].北京航空航天大学
出版社,1998. 4:338～350
2 赖寿宏. 微型计算机控制技术[M].机械工业出版社,2000:88～1003 邹其洪, 李传琦, 赵艳辉, 王旭东. 用算法实现工业窑炉微机温度
4 结束语
应用PW M 算法的电加热系统控制算法有效地解决了一阶惯性加纯滞后环节类对象易引起系统产生超调或者振荡、从而使系统稳定性降低的问题, 整个系统硬件构成简单, 控制精度高, 超调小, 可靠性高, 而且
控制[J].计算机自动测量与控制,2002(1) :35～36
修改稿收到日期:2004-04-27。
第一作者张秀香, 女,1956年生,1983年毕业于甘肃电大电子专业大专班, 实验师; 主要从事自动化技术、计算机智能控制技术的教学与应用研究, 在国内刊物上发表多篇论文。
NTC Linearization and Application of NTC Thermistor
沙占友 王彦朋 杜之涛
(河北科技大学, 石家庄 050054)
摘 要 介绍了负温度系数(NTC ) 热敏电阻的特性, 阐述了NTC 热敏电阻线性化的原理、改善NTC 热敏电阻非线性的方法及其在测温系统中的应用。
关键词 NTC 热敏电阻 温度系数 非线性 智能温度传感器 单片机
Abstract The characteristics of negative tem perature coefficient (NTC ) therm istor are introduced , and the principle of linearization of NTC therm istor are described. The method of how to im prove non 2linearity of NTC therm istor is stated and applications in tem perature measurement system are expound 2ed.
K ey w ords NTC therm istor T em perature coefficient N on 2linearity Intelligent tem perature transducer Single chip com puter
NTC (负温度系数) 热敏电阻的测温范围比集成温
) , 而价格又比铂热电阻度传感器宽(最高可达+250℃
d R αT =
R T
d T
(1
)
低廉, 被广泛应用于工业测温领域。但由于NTC 热敏电阻属于非线性元件, 因此必须进行线性化处理。利用外部电阻和智能温度传感器来实现NTC 热敏电阻线性化的方法, 其优点是电路简单、成本低廉, 可同时对多路NTC 热敏电阻做线性化处理, 并能在此基础上构成多通道温度测量系统。
1 NTC 热敏电阻的特性
NTC 热敏电阻的电阻值(R T ) 与热力学温度(T )
图1 电阻值与热力学温度的典型曲线
的典型曲线如图1所示。由图可见, 当温度升高时
R T 迅速减小。NTC 热敏电阻温度系数αT 的定义式可表示为28
NTC 热敏电阻值与热力学温度的准确表达式为
R T =Ae
B/T
(2)
式中:A 、B 为由半导体材料和加工工艺所决定的两个
PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION, V ol. 25, N o. 9, Sep. , 2004
NTC 热敏电阻的线性化及其应用 沙占友, 等
常数, B 值为热敏指数。
设在某一温度T 0下的电阻值为R T 0, 有关系式
R T 0=Ae
B/T 0
M AX 6691内部主要包括5部分:①1124V 基准电
压源; ②由四选一模拟开关构成的多路转换器(M UX ) ;
(3)
③缓冲放大器; ④PW M 转换器及单线I/O 接口; ⑤控制逻辑。外围元件中,R T ～R T 代表4只NTC 热敏电
1
4
将式(2) 除以式(3) 后得到
R T =R T 0e
(T 0-T ) /T 0・B ・T
(4)
阻,R Ext 为外部电阻,R C 为I/O 端上拉电阻,C 为滤除电源噪声的电容。
M AX 6691的测温原理如下:首先通过自动切换多
对式(4) 两边取对数后整理成
B =
T 0T (ln R T -ln R T )
T 0-T
(5)
路转换器(M UX ) 依次检测4只NTC 热敏电阻的电压, 然后进行缓冲放大, 再利用PW M 转换器把电压信号变成脉宽信号, 由单线I/O 接口送给单片机(μC ) , 最后由μC 分别计算出4路被测温度的数值。测量准确度为
015%, 015%温度
利用式(5) 可以计算出B 值。
最后将式(2) 代入式(1) 中并进行微分后可得到αT =
Ae
B/T
・Ae B/T -2
T =-2T
(6)
这表明αT 并非一个常数, 而是温度的函数, 它与热力学温度的平方成反比, 且为一负值。由此可见,NTC , 度升高而减小, 这是造成原因。
值) , , 一旦出现6691处于休眠模式,I/O 端呈高电U CC 。测量开始时, 单片机首先把I/O 端置成低电
μ平并至少保持5s 时间, 然后释放I/O 端。M AX 6691的T 1～T 4端就依次连接到热敏电阻R T ～R T 上, 再经
1
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2 NTC 通常利用单片机对NTC 热敏电阻进行线性化, 不仅电路复杂, 而且要做大量的计算。下面介绍一种利用四通道智能温度传感器M AX 6691实现NTC 热敏电阻线性化的电路, 如图2所示。T 1～T 4分别接4只热敏电阻。在R +与R -之间接外部电阻R Ext 。U CC 、G
ND 分别为电源端和地。I/O 为漏极开路的单线输入/输
Ω的上拉电阻。该芯片适配热敏电出接口, 外部接10k 阻并具有单线I/O 接口。
过R Ext 接基准电压U Ref , 测量过程需102ms (典型值) 。测量结束时,M AX 6691先把I/O 端拉成低电平并保持
μ125s , 然后按照顺序输出4个脉宽信号t H (t H 1～t H 4) ,
t H 即表示高电平持续时间, 它与外部电阻R Ext 上的压
降U Ext 成正比。t L 代表低电平持续时间, 它与U Ref 成正比, 因U Ref 为固定值, 故t L 恒定不变, t L =419ms 。t H /
t L 比值的表达式为
[3]
=-0. 0002=-0. 0002(7) t L U Ref R Ext +R T R T =
t H /t L +0. 0002
-1・R Ext (8)
利用单片机很容易测出每一路温度所对应的t H /t L 比值, 进而计算出R T 值, 再根据外部存储器中的R T 与温度对照表确定该路温度值。测量过程中, 若检测到第3路热敏电阻R T 发生了开路或短路故障, 则输出的
3
μs 的窄脉冲, 第3个脉宽信号就变成了脉宽仅为122
称之为故障脉冲, 其脉宽小于5%t L 。利用这一特点, μC 很容易识别出来并通过故障报警使扬声器发声。
图2 NT C 热敏电阻线性化电路
M AX 6691既可配负温度系数(NTC ) 热敏电阻, 又
3 改善NTC 热敏电阻非线性的方法及使用注
可配正温度系数(PTC ) 热敏电阻。在测量气体或液体温度时, 使用NTC 热敏电阻更为普遍。热敏电阻的测温范围可以超出芯片的工作温度。例如配10K 3A1IA 型NTC 热敏电阻时,M AX 6691的测温范围是-80℃～
+150℃, 而M AX 6691的工作温度范围仅为-55℃～+125℃。
意事项
NTC 热敏电阻与温度呈非线性关系, 必须进行线性化处理。具体方法是首先给R T 串联一只合适的外部电阻R Ext , 然后接到1124V 基准电压U Ref 上, 再利用
M AX 6691测量R Ext 上的电压, 即可在所选温度范围内
将NTC 热敏电阻的非线性减至最小。
29
《自动化仪表》第25卷第9期 2004年9月计算R Ext 的步骤如下:
(1) 确定所要测量的温度范围(例如0℃) ; ～+70℃(2) 在该温度范围内确定热敏电阻的最小值R min
(对应于最高温度, 例如+70℃) 、最大值R max (对应于) 和中间值R mid (对应于中间温度, 这最低温度, 如0℃) ; 里为+35℃
(3) 最后, 利用下式计算出R Ext 值[3]:
R Ext =
R (R +R ) -R R R max +R min -2R mid
(9
)
图4 线性化前后的电阻值-温度特性曲线
在改善NTC 热敏电阻非线性时应注意以下事项:
①NTC 。实际上, 热敏电阻在+℃(R 0) 和在规定温度R T ) B , 均指其内部发, , 这时热敏电阻上的功耗接近于零, 称作“零功率”。举例说明, 一只典型的热敏电阻的热阻其每单位功耗所对应的温升为1mW/℃。如果
Ω的NTC 热敏电阻与5110Ω的外部电选用一只10k
阻进行串联后接+5V 电压, 那么在+40℃时因热敏电阻发热而产生的测温误差大约为1122℃。由于
M AX6691使用很低的基准电压作激励源, 并且在一
图3 t H t L 仍以10K 3A1IA 型NTC 热敏电阻为例, 假定所需
温度范围是0℃～+70℃。在70℃时R min =175116Ω; 在0℃时, R max =3265018Ω; 在中间温度35℃时, R mid =653011Ω。一并代入式(9) 中计算出R Ext 的最佳电阻值为2535196Ω。当温度范围改变时, 应重新确定R Ext 值。串联上合适的R E xt , 可显著改善NT C 热敏电阻的非
Ω时, t H /t L 与温度线性。使用10K 3A1I A , 选择R Ext =7680的关系曲线如图3所示。与图1相比,M AX 6691输出的
t H /t L 值与温度的关系曲线更接近于线性。对10K 3A1I A
个测量周期内每只热敏电阻的通电时间仅为25ms ,
μ因此在相同条件下热敏电阻的功耗还不足1W , 所产生的温度误差可忽略不计。
②M AX 6691还可以配其他型号的NTC 热敏电阻, 例如Dale 公司生产的1M 1002型、Therm ometrics 公司生产的C100Y 103J 型或国产与之相对应的其他型号。
参考文献
1 沙占友. 内燃机测试仪器的原理与维修. 国防工业出版社,19852 沙占友, 等. 智能化集成温度传感器原理与应用. 机械工业出版
进行线性化前后的电阻值对照情况见表1, R ′T 为线性化后的等效电阻值。根据表1所列出的数据绘出的电阻值
-温度特性曲线如图4所示, 图中的虚线表示线性化后
的特性曲线。不难看出, 在0℃～+70℃温度范围内
10K 3A1I A 的非线性已得到明显改善。
表1 10K 3A1IA 在线性化前后的电阻值对照表
T /℃
R T /Ω
t H /t L
R ′T /Ω
社,2002
3 M AXI M 公司. F our 2Channel Therm istor T em perature 2to Pulse 2width C on 2verter , 2002
修改稿收到日期:2003-10-08。
[**************]
32650. 819903. 512493. 78056. 05324. 93601. 02487. 11751. 6
0. 180. 270. 370. 480. 580. 670. 760. 81
34939. 320743. 413065. 58313. 35556. 83779. 32422. 61799.
1
第一作者沙占友, 男,1944年生,1968年毕业于南开大学, 教授; 主要从事数字化测量、智能传感器系统的教学与研究工作, 已发表论文多篇, 出版专著20部。
科 学 名 言
要研究一切事物, 使智慧在你的心目中处于首位, 并以智慧来指导自己。
———毕拉哥拉斯
30
PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION, V ol. 25, N o. 9, Sep. , 2004