Электронный термометр на основе терморезистора

Содержание
Техническое задание
Введение:
Анализ Технического задания (вспомогательные таблицы)
Структурная схема устройства
Рассчёт принципиальной схемы
Элементная база
Передаточная функция
Выводы.
Литература.

Электронный термометр на основе терморезистора

Значение
A
0,001130151
B
0,000234011
C
0,000000088
Используя эти коэффициенты по измеренному значению сопротивления можно вычислить температуру. Точность полученного значения температуры будет +/-0.2°С.
Это достаточно точный и дорогой терморезистор. Он был использован в примере, чтобы проще было изложить суть метода измерения. Такой же пример можно реализовать с использованием более дешевого терморезистора двумя различными способами:
1 • Измерить сопротивление определенного терморезистора при трех различных температурах, и вычислить его индивидуальные коэффициенты Стейнхарт-Харта. Полученные данные использовать при расчетах микроконтроллера.
2 • Использовать стандартные коэффициенты Стейнхарт-Харта, и калибровать уже законченное изделие при финальных испытаниях.
Эталонный резистор
Самое точное измерение получается при выполнении условия:
(5)
Когда уравнение выполнено, значения напряжений на каждом из двух резисторов соответствуют половине полного диапазона доступного для измерения АЦП. Соответственно, точность полученных чисел будет на 1 бит меньше разрядности АЦП. Если, к примеру, одно сопротивление в 4 раза больше другого, то величина напряжения на первом резисторе соответствует 80% всего диапазона напряжения АЦП, а величина напряжения на втором резисторе соответствует 20% диапазона. При этом 80% диапазона АЦП соответствуют уменьшению точности на 1/3 бита, а 20% соответствуют уменьшению точности на 2 бита от полной разрядности АЦП.
Главная проблема в том, что сопротивление терморезистора в зависимости от температуры изменяется в десятки раз, что ведет к разбросу погрешности. Это видно из таблицы 1.
В нашем примере значение сопротивления эталонного резистора выбрано 10 кОм, для получения максимальной точности при 25°С. При использовании 13 разрядного АЦП, Когда уравнение (5) выполнено, значения напряжений на каждом из двух резисторов соответствуют половине полного диапазона доступного для измерения АЦП. Соответственно, точность полученных чисел будет на 1 бит меньше разрядности АЦП. Если, к примеру, одно сопротивление в 4 раза больше другого, то величина напряжения на первом резисторе соответствует 80% всего диапазона напряжения АЦП, а величина напряжения на втором резисторе соответствует 20% диапазона. При это 80% диапазона АЦП соответствуют уменьшению точности на 1/3 бита, а 20% соответствуют уменьшению точности на 2 бита от полной разрядности АЦП.
Главная проблема в том, что сопротивление терморезистора в зависимости от температуры изменяется в десятки раз, что ведет к разбросу погрешности. Это видно из таблицы 1.
В нашем примере значение сопротивления эталонного резистора выбрано 10 кОм, для получения максимальной точности при 25°С. При использовании 13 разрядного АЦП точность получаемых значений сопротивления терморезистора в зависимости от температуры можно увидеть в таблице 3.
Таблица 3: Коэффициенты Стейнхарт-Харта для терморезистора YSI44016
°С
Rthermistor, Oм
Rthermistor, разрешение АЦП, бит
Rreference, Oм
Rreference, разрешение АЦП, бит
-40
336,500
13
10,000
8
25
10,000
12
10,000
12
80
1,255
10
10,000
13
С учетом 1% допуска сопротивления терморезистора, 8 битное значение можно считать адекватным.
Более точное значение можно получить, используя более точный АЦП или несколько эталонных резисторов. На рисунке 2 показана блок схема с использованием нескольких эталонных резисторов.
Рисунок 2: Схема с переключаемыми эталонными резисторами.
Когда отключен Buf0, а Buf2 работает, в качестве эталонного резистора используется Rref1. Когда отключен Buf2, а Buf0 работает, в качестве эталонного резистора используется Rref1+Rref1.
В нашем примере использована архитектура изображенная на рисунке 1. Значение эталонного резистора выбрано 10 кОм. Поскольку погрешность терморезистора составляет 1%, достаточно выбрать эталонный резистор с точностью 0,1%, которой достаточно что бы исключить вносимую им погрешность.
Преобразование сопротивления в температуру
После измерения сопротивления терморезистора, полученное значение необходимо преобразовать в значение температуры. Это можно выполнить двумя способами:
1 • Подставить значение сопротивления в уравнение Стейнхарт-Харта и вычислить температуру. Этот подход дает большую точность, но требует выполнения математических операций с плавающей запятой.
2 • Используя коэффициенты Стейнхарт-Харта, вычислить таблицу соответствия температуры к сопротивлению, для всего требуемого диапазона измерений. Эта таблица может состоять из целых чисел. Более точное значение можно получить путем интерполяции между числами из таблицы. Преимущество этого подхода в
1 большем быстродействии, а недостаток в необходимости большого пространства ПЗУ для хранения таблицы.
Оба подхода могут быть использованы, и какой из них более удобен, остается на усмотрение конструктору. В данном примере использованы оба метода.
Расчет принципиальной схемы