CN205879394U - 一种温度测量电路及采用该电路的高精度温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度温度测量装置，包括晶振、键盘输入、***电源模块、ARM处理器、通道切换模块、恒流源模块、NTC热敏电阻温度传感器及A/D转换电路、SD卡数据读取和TFT液晶显示；恒流源模块采用微小恒流源作为激励，自适应选择通道进行数据采集，利用SD卡储存R‑T关系数据，读取传感器当前电阻的温度值，通过TFT液晶显示屏显示温度值。本实用新型能准确采集环境温度，具有精度高，稳定性能好，功耗低，人机交互界面友好，工作速度快，操作方便优点。

Description

一种温度测量电路及采用该电路的高精度温度测量装置

技术领域

本发明涉及嵌入技术和数字信号处理技术领域，具体涉及一种温度测量电路及采用该电路的高精度温度测量装置。

背景技术

随着科技的飞速发展，工业生产、科研、医疗、军事等诸多应用领域对传感器测量技术提出越来越高的要求。传感器测量技术的性能是诸多电子装置的核心问题，例如，超精密加工机床对光学元件加工时，对温度要求特别严格。LODTM（Large Optic DiamondTurning Machine）机床的液压装置控温为0.0005℃，机房空气控温为0.003℃；薄膜压力传感器适用于高温工业过程控制检测（如电力、冶金、石化等装置）、高温地热发电机的测试、工程和试验站、天然气、石油输送管道压力测控、汽轮机和发动机的压力测试标定等测量。然而线性传感器由于测量精度低、灵敏度低等缺陷满足不了发展需求，而非线性传感器（如温度）可以满足灵敏度高、测量精确等要求，但是存在其R-T特性呈非线性关系，环境对测量精度影响大。

实用新型内容

针对现有技术的缺点，本实用新型提供一种温度测量电路及采用该电路的高精度温度测量装置，该电路工作速度快，误差小，该装置具有精度高，稳定性能好，功耗低，人机交互界面友好，操作方便的高精度温度测量装置。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种温度测量电路：包括包括恒流源模块、恒流源选择电路、恒流源输出电路、热敏电阻传感器、缓冲电路和A/D转换电路；

恒流源模块由运放放大器U1A的正极与电阻R3的一端连接，运算放大器U1A的负端与电阻R5连接，还与JEFT晶体管Q1的漏极连接，运算放大器U1A的输出与JEFT晶体管Q1的栅极连接，运算放大器电源正端与+12V电源相连接并通过电容C2接地，运算放大器的电源负端与-12V电源相连接并通过电容C1接地，

恒流源选择电路9、由电阻R1、R2、R6、R7并联组成，

恒流源输出电路10、由运算放大器U1B的正极与JEFT晶体管Q2的源级连接，还与电阻R4的一端连接，运算放大器U1B负极、JEFT晶体管Q2的漏极和恒流源选择端的一端相互连接，恒流源选择端的另一端与电阻R4另一端连接，运算放大器U1B的输出端与JEFT晶体管Q2的栅极连接，JEFT晶体管Q2的源级与恒流源输出一端连接，

缓冲电路12由运算放大器U2的正极电阻R9相连接连接，运算放大器U2的负极、运算放大器U2的输出端和电阻R11一端相互连接，运算放大器U2电源正端与+12V电源相连接，运算放大器U2的电源负端与-12V电源相连接，

运算放大器U3的正极电阻R10相连接连接，运算放大器U3的负极、运算放大器U3的输出端和电阻R12一端相互连接，运算放大器U3电源正端与+12V电源相连接，运算放大器U3的电源负端与-12V电源相连接，

A/D转换电路13由模数转换芯片R13的CS、SCLK、DOUT、DIN端分别与ARM处理器的PE0、PE1、PE2、PE3连接，模数转换芯片R13的模拟、数字电源端与+5V电源连接，模数转换芯片R13的基准电源输入端与VCC_REF电源连接，模数转换芯片R13的电源地、基准电源地端与装置供电电源地连接，

JEFT晶体管Q1的源级、恒流源输出电路的运算放大器U1B的正极、电阻R4的一端相互连接，

JEFT晶体管Q2的源级、热敏电阻R8的一端、输入缓冲电路的电阻R9的一端相互连接，

热敏电阻R8的另一端、输入缓冲电路的电阻R10的一端、电源地相互连接，

电阻R11的另一端与A/D采样电路的模数转换芯片R13输入正端连接，

电阻R12的另一端与A/D采样电路的模数转换芯片R13输入负端连接，

一种高精度温度测量装置，包括处理部分、控制部分、测量部分、TFT液晶屏和SD卡；

处理部分包括ARM处理器、晶振、键盘输入、***电源、I/O接口、SPI接口、SDIO接口和FSMC接口，

ARM处理器分别与晶振、键盘输入、***电源、I/O接口、SPI接口、SDIO接口和FSMC接口与相连接，

控制部分包括恒流源模块和通道切换模块，作用是控制恒流源输出电流值以及工作时间，

测量部分包括恒流源选择电路、恒流源输出电路、热敏电阻传感器、缓冲电路和A/D转换电路，

恒流源选择电路、恒流源输出电路、热敏电阻传感器、缓冲电路、A/D转换电路依次连接；

恒流源输出电路的输出电流通过热敏电阻传感器，热敏电阻传感器对电压值进行采样，A/D转换电路将模拟量转换成数字量，通过处理部分的SPI接口将数据上传给处理部分的ARM 处理器，

处理部分的ARM 处理器是整个温度测量装置的核心，通过SPI接口接收从测量部分的 A/D转换电路的数据，从而获得测量部分的热敏电阻传感器的数字量，

处理部分的ARM 处理器根据当前数字量以及控制部分对恒流源模块的电流值，调节控制部分的通道切换模块，调节恒流源模块的输出电流值大小以及电流通过测量部分的热敏电阻传感器的工作时间，并根据恒流源模块的电流与热敏电阻传感器的数字量计算对应的电阻值，通过处理部分的SDIO接口读取SD卡中电阻对应温度值，利用查表方式，得到具体的测量温度，通过处理部分的FSMC接口驱动TFT液晶屏显示。

所述的处理部分的I/O接口与控制部分的通道切换模块相连接，

所述的处理部分的SPI接口与测量部分的A/D转换电路相连接，

所述的处理部分的SDIO接口与SD卡相连接，

所述的处理部分的FSMC接口与TFT液晶屏相连接，

所述的控制部分的恒流源模块通过测量部分的恒流源选择电路、恒流源输出电路与测量部分的热敏电阻传感器模块相连接，控制测量部分的热敏电阻传感器功耗，降低温漂对测量精度的影响而选择合适的恒流源电流接入测量部分的热敏电阻传感器。

有益效果：

本实用新型提供了一种温度测量电路及采用该电路的高精度温度测量装置，该电路工作速度快，误差小，该装置具有精度高，稳定性能好，功耗低，人机交互界面友好，操作方便，能准确采集环境温度，具有精度高，稳定性能好，功耗低，人机交互界面友好，工作速度快，操作方便。

附图说明

图1为温度测量电路的电路图；

图2为高精度温度测量装置框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容做进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定

实施例：

如图1所示：

一种温度测量电路：包括恒流源模块8、恒流源选择电路9、恒流源输出电路10、热敏电阻传感器11、缓冲电路12和A/D转换电路13；

恒流源模块8由运放放大器U1A的正极与电阻R3的一端连接，运算放大器U1A的负端与电阻R5连接，还与JEFT晶体管Q1的漏极连接，运算放大器U1A的输出与JEFT晶体管Q1的栅极连接，运算放大器电源正端与+12V电源相连接并通过电容C2接地，运算放大器的电源负端与-12V电源相连接并通过电容C1接地，

恒流源选择电路9、由电阻R1、R2、R6、R7并联组成，

恒流源输出电路10、由运算放大器U1B的正极与JEFT晶体管Q1的源级连接，还与电阻R4的一端连接，运算放大器U1B负极、JEFT晶体管Q2的漏极和恒流源选择端的一端相互连接，恒流源选择端的另一端与电阻R4另一端连接，运算放大器U1B的输出端与JEFT晶体管Q2的栅极连接，JEFT晶体管Q2的源级与恒流源输出一端连接，

缓冲电路12由运算放大器U2的正极电阻R9相连接连接，运算放大器U2的负极、运算放大器U2的输出端和电阻R11一端相互连接，运算放大器U2电源正端与+12V电源相连接，运算放大器U2的电源负端与-12V电源相连接，

运算放大器U3的正极电阻R10相连接连接，运算放大器U3的负极、运算放大器U3的输出端和电阻R12一端相互连接，运算放大器U3电源正端与+12V电源相连接，运算放大器U3的电源负端与-12V电源相连接，

A/D转换电路13由模数转换芯片R13的CS、SCLK、DOUT、DIN端分别与ARM处理器的PE0、PE1、PE2、PE3连接，模数转换芯片R13的模拟、数字电源端与+5V电源连接，模数转换芯片R13的基准电源输入端与VCC_REF电源连接，模数转换芯片R13的电源地、基准电源地端与装置供电电源地连接，

JEFT晶体管Q1的源级、恒流源输出电路的运算放大器U1B的正极、电阻R4的一端相互连接，

JEFT晶体管Q2的源级、热敏电阻R8的一端、输入缓冲电路的电阻R9的一端相互连接，

热敏电阻R8的另一端、输入缓冲电路的电阻R10的一端、电源地相互连接，

电阻R11的另一端与A/D采样电路的模数转换芯片R13输入正端连接，

电阻R12的另一端与A/D采样电路的模数转换芯片R13输入负端连接，

如图2所示：

一种高精度温度测量装置，包括处理部分1、控制部分7、测量部分10、TFT液晶屏19和SD卡20；

处理部分1包括ARM处理器2、晶振3、键盘输入4、***电源5、I/O接口6、SPI接口16、SDIO接口17和FSMC接口18，

ARM处理器2分别与晶振3、键盘输入4、***电源5、I/O接口6、SPI接口16、SDIO接口17和FSMC接口18与相连接，

控制部分7包括恒流源模块8和通道切换模块9，作用是控制恒流源输出电流值以及工作时间，

测量部分10包括恒流源选择电路11、恒流源输出电路12、热敏电阻传感器13、缓冲电路14和A/D转换电路15，

恒流源选择电路11、恒流源输出电路12、热敏电阻传感器13、缓冲电路14、A/D转换电路15依次连接；

恒流源输出电路12的输出电流通过热敏电阻传感器13，热敏电阻传感器13对电压值进行采样，A/D转换电路14将模拟量转换成数字量，通过处理部分1的SPI接口16将数据上传给处理部分1的ARM 处理器2，

处理部分1的ARM 处理器2是整个温度测量装置的核心，通过SPI接口16接收从测量部分10的 A/D转换电路15的数据，从而获得测量部分10的热敏电阻传感器13的数字量，

处理部分1的ARM 处理器2根据当前数字量以及控制部分7对恒流源模块8的电流值，调节控制部分7的通道切换模块9，调节恒流源模块8的输出电流值大小以及电流通过测量部分10的热敏电阻传感器13的工作时间，并根据恒流源模块8的电流与热敏电阻传感器13的数字量计算对应的电阻值，通过处理部分1的SDIO接口17读取SD卡20中电阻对应温度值，利用查表方式，得到具体的测量温度，通过处理部分1的FSMC接口18驱动TFT液晶屏19显示。

所述的处理部分1的I/O接口6与控制部分7的通道切换模块9相连接，

所述的处理部分1的SPI接口16与测量部分10的A/D转换电路15相连接，

所述的处理部分1的SDIO接口17与SD卡20相连接，

所述的处理部分1的FSMC接口18与TFT液晶屏19相连接，

所述的控制部分7的恒流源模块8通过测量部分10的恒流源选择电路10、恒流源输出电路12与测量部分10的热敏电阻传感器13模块相连接，控制测量部分10的热敏电阻传感器13功耗，降低温漂对测量精度的影响而选择合适的恒流源电流接入测量部分10的热敏电阻传感器13。

高精度温度测量装置工作过程如下：

把热敏电阻温度传感器9置于机床床体恒温液体中，将恒流源通过所述热敏电阻温度传感器9，使得所述热敏电阻温度传感器9产生一定压降，再把所述热敏电阻温度传感器9两端产生的电压信号通过缓冲电路10传送到A/D转换电路12，ARM处理器19通过SPI接口14从A/D转换电路12读取热敏电阻的数字量，ARM处理器19根据当前数字量以及恒流源大小，调节通道切换模块11并计算对应的电阻值，然后ARM处理器19把计算的电阻值通过SDIO及接口16读取SD卡18对应温度值，最后通过FSMC接口15驱动TFT液晶屏17显示温度值，见表1热敏电阻值与温度值对照表，

表1热敏电阻值与温度值对照表

实际温度值（℃） 热敏电阻值（Ω）

19.03601154 13087.49334

19.03400934 13086.069629

20.01808986 12510.50976

20.01909096 12510.03318

25.49910802 9801.046177

25.49810692 9797.057617

29.98002807 8078.463622

29.98102917 8078.569907

36.48817402 6154.794678

36.48917511 6154.126114

46.50116828 4129.914388

46.50216938 4129.76416

根据上表数据可知，测量温度值与恒温槽温度值相差最大0.01℃，且在20℃~50℃可以达到0.0005℃以下。

恒流源输出的电流I，通过热敏电阻产生压降U，通过缓冲电路与AD模块连接。缓冲电路不仅隔离输入电压与AD转换芯片，保护AD转换芯片；还增加采集信号的输入电阻，减小输出电阻，更精确将U传送到AD采集。

热敏电阻压降U与AD转换电路的差分输入通道3连接，AD转换芯片选用24位AD，测量分辨率1uV，可以精确将采集的热敏电阻电压信号转换成数字量传送给ARM处理器模块。

测量部分包含恒流源模块、缓冲电路和AD转换电路，其中恒流源是利用微小恒流源电路的设计方案，是本发明的核心创新，通过采样高精度基准电压源ADR4525输出的2.5V电压，通过采样电阻以及运放虚短续断，将基准电压变为0.25V，运用JEFT场效应管的漏极和源级电流相等特性，改变采样电阻R4大小，可以输出不同的电流大小I如下表：

表2 恒流源输出电流值：

R4电阻值（Ω） 电流理论值（nA） 实际测量值（nA） 误差值（nA）

250 100000 99735 10

2500 10000 9975 1

25000 1000 997 0.1

250000 100 100 0.01

根据上述电流输出值可以得出，恒流源电流输出精度控制在0.01%精度，且恒流源输出电流最小100nA，最大电流100mA。

恒流源输出的电流I，通过热敏电阻产生压降U，通过缓冲电路与AD模块连接。缓冲电路不仅隔离输入电压与AD转换芯片，保护AD转换芯片；还增加采集信号的输入电阻，减小输出电阻，更精确将U传送到AD采集。

热敏电阻压降U与AD转换电路的差分输入通道3连接，AD转换芯片选用24位AD，测量分辨率1uV，可以精确将采集的热敏电阻电压信号转换成数字量传送给ARM处理器模块。

为了根据ARM处理器计算出的电阻值读取对应温度值以及清晰显示温度值。热敏电阻传感器的电阻-温度曲线呈非线性关系，SD卡存储的是在恒温槽中传感器测量电阻-温度值，ARM处理器根据当前传感器电阻值，通过查表的方法，可以读取对应的温度值。然而，通过TFT液晶显示屏显示当前温度值。

转换数据如下表

表3温度测量结果以及与恒温槽温度值对照：

恒温槽温度值（℃） 热敏电阻值（Ω） 测量温度值（℃）

0.10253121 32643.52140 0.1034125

5.51213424 24785.25683 5. 515451

10.1021242 19810.21543 10.102345

15.5245214 15357.31256 15.524258

20.51163177 12233.0123 20.50958

25.98564224 9592.47489 25.98304

30.9591031 7749.67627 30.956007

35.98261892 6283.98266 35.979021

40.01814993 5333.16267 40.014148

45.50107018 4293.32837 45.496520

50.01808986 3601.69576 50.001308

55.11808986 2974.38754 54.622203

60.51123452 2443.50976 60.504723

65.01424521 2075.31254 64.494130

70.52452454 1722.35097 70.517472

通过上表可知，测量实际温度值与恒温槽温度值最大误差为0.01摄氏度，并且在20~50℃时，测量误差低于0.0005℃。

Claims (6)

1.一种温度测量电路，其特征在于，包括恒流源模块，恒流源选择电路、恒流源输出电路、热敏电阻、缓冲电路和A/D转换电路，恒流源模块的恒流源输出、热敏电阻传感器模块、缓冲模块、A/D转换电路依次连接，通过热敏电阻传感器模块对电压值进行采样，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量，通过处理部分的SPI接口讲数据上传给处理部分的ARM 处理器。

2.根据权利要求1所述的温度测量电路，其特征在于，恒流源模块由运放放大器U1A的正极与电阻R3的一端连接，运算放大器U1A的负端与电阻R5连接，还与JEFT晶体管Q1的漏极连接，运算放大器U1A的输出与JEFT晶体管Q1的栅极连接，运算放大器电源正端与+12V电源相连接并通过电容C2接地，运算放大器的电源负端与-12V电源相连接并通过电容C1接地，

恒流源选择电路9、由电阻R1、R2、R6、R7并联组成，

恒流源输出电路10、由运算放大器U1B的正极与JEFT晶体管Q1的源级连接，还与电阻R4的一端连接，运算放大器U1B负极、JEFT晶体管Q2的漏极和恒流源选择端的一端相互连接，恒流源选择端的另一端与电阻R4另一端连接，运算放大器U1B的输出端与JEFT晶体管Q2的栅极连接，JEFT晶体管Q2的源级与恒流源输出一端连接，

缓冲电路12由运算放大器U2的正极电阻R9相连接连接，运算放大器U2的负极、运算放大器U2的输出端和电阻R11一端相互连接，运算放大器U2电源正端与+12V电源相连接，运算放大器U2的电源负端与-12V电源相连接，

运算放大器U3的正极电阻R10相连接连接，运算放大器U3的负极、运算放大器U3的输出端和电阻R12一端相互连接，运算放大器U3电源正端与+12V电源相连接，运算放大器U3的电源负端与-12V电源相连接，

A/D转换电路13由模数转换芯片R13的CS、SCLK、DOUT、DIN端分别与ARM处理器的PE0、PE1、PE2、PE3连接，模数转换芯片R13的模拟、数字电源端与+5V电源连接，模数转换芯片R13的基准电源输入端与VCC_REF电源连接，模数转换芯片R13的电源地、基准电源地端与装置供电电源地连接，

JEFT晶体管Q1的源级、恒流源输出电路的运算放大器U1B的正极、电阻R4的一端相互连接，

JEFT晶体管Q2的源级、热敏电阻R8的一端、输入缓冲电路的电阻R9的一端相互连接，

热敏电阻R8的另一端、输入缓冲电路的电阻R10的一端、电源地相互连接，

电阻R11的另一端与A/D采样电路的模数转换芯片R13输入正端连接，

电阻R12的另一端与A/D采样电路的模数转换芯片R13输入负端连接。

3.一种高精度温度测量装置，其特征在于，包括处理部分、控制部分、测量部分、TFT液晶屏和SD卡；

处理部分包括ARM处理器、晶振、键盘输入、***电源、I/O接口、SPI接口、SDIO接口和FSMC接口，ARM处理器分别与晶振、键盘输入、***电源、I/O接口、SPI接口、SDIO接口和FSMC接口与相连接；

控制部分包括恒流源模块和通道切换模块，作用是控制恒流源输出电流值以及工作时间；

测量部分包括恒流源选择电路、恒流源输出电路、热敏电阻传感器、缓冲电路和A/D转换电路，恒流源选择电路、恒流源输出电路、热敏电阻传感器、缓冲电路、A/D转换电路依次连接。

4.根据权利要求3所述的高精度温度测量装置，其特征在于，恒流源输出电路的输出电流通过热敏电阻传感器，热敏电阻传感器对电压值进行采样，A/D转换电路将模拟量转换成数字量，通过处理部分的SPI接口将数据上传给处理部分的ARM 处理器，处理部分的ARM 处理器是整个温度测量装置的核心，通过SPI接口接收从测量部分的 A/D转换电路的数据，从而获得测量部分的热敏电阻传感器的数字量。

5.根据权利要求3所述的高精度温度测量装置，其特征在于，处理部分的ARM 处理器根据当前数字量以及控制部分对恒流源模块的电流值，调节控制部分的通道切换模块，调节恒流源模块的输出电流值大小以及电流通过测量部分的热敏电阻传感器的工作时间，并根据恒流源模块的电流与热敏电阻传感器的数字量计算对应的电阻值，通过处理部分的SDIO接口读取SD卡中电阻对应温度值，利用查表方式，得到具体的测量温度，通过处理部分的FSMC接口驱动TFT液晶屏显示；

所述的处理部分的I/O接口与控制部分的通道切换模块相连接，

所述的处理部分的SPI接口与测量部分的A/D转换电路相连接，

所述的处理部分的SDIO接口与SD卡相连接，

所述的处理部分的FSMC接口与TFT液晶屏相连接。

6.根据权利要求3所述的高精度温度测量装置，其特征在于，所述的控制部分的恒流源模块通过测量部分的恒流源选择电路、恒流源输出电路与测量部分的热敏电阻传感器模块相连接，控制测量部分的热敏电阻传感器功耗，降低温漂对测量精度的影响而选择合适的恒流源电流接入测量部分的热敏电阻传感器。