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很多新手在剛接觸熱敏電阻的時(shí)候，不會(huì)測(cè)量。本文小編舉例告訴大家熱敏電阻的測(cè)量溫度，希望在這方面的干貨知識(shí)能帶領(lǐng)大家了解相信知識(shí)點(diǎn)，如果不懂操作，可以請(qǐng)教有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行指導(dǎo)。
熱敏電阻是一個(gè)電阻器件，因此根據(jù)歐姆定律，如果我們通過(guò)一個(gè)電流，它將產(chǎn)生電壓降。由于熱敏電阻是一種有源類型的傳感器，也就是說(shuō)，它需要一個(gè)激勵(lì)信號(hào)用于其工作，所以溫度變化引起的電阻變化可以轉(zhuǎn)換為電壓變化。
這樣的簡(jiǎn)單方法是使用熱敏電阻作為分壓電路的一部分。在電阻和熱敏電阻串聯(lián)電路上施加恒定電壓，并在熱敏電阻上測(cè)量輸出電壓。例如，如果我們使用10kΩ熱敏電阻和10kΩ的串聯(lián)電阻，那么在25℃的基準(zhǔn)溫度下的輸出電壓將是電源電壓的一半。
當(dāng)熱敏電阻的電阻由于溫度變化而變化時(shí)，熱敏電阻兩端的電源電壓部分也會(huì)發(fā)生變化。從而產(chǎn)生與輸出端子之間的總串聯(lián)電阻的一部分成比例的輸出電壓。其中熱敏電阻的電阻由溫度控制，所產(chǎn)生的輸出電壓與溫度成正比，所以熱敏電阻越熱，電壓越低。如果我們顛倒串聯(lián)電阻RS和熱敏電阻RTH的位置，則輸出電壓將反方向變化，即熱敏電阻變得越熱，輸出電壓就越高。
一、問(wèn)題描述
首先對(duì)1.0版本溫度貼硬件做一個(gè)簡(jiǎn)單描述：該方案的測(cè)溫方式是使用熱敏電阻NTC，采集其模擬電壓并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，原理圖如圖1所示，使用單運(yùn)放TLV521搭建一個(gè)橋，起初，對(duì)多片焊接完整的溫度貼線路板進(jìn)行溫度準(zhǔn)確度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)得溫度與實(shí)際水溫偏差較大且不一致，正偏和負(fù)偏均存在，無(wú)規(guī)律可尋，由于本產(chǎn)品對(duì)測(cè)溫精度的要求為-0.1~+0.1°，所以該結(jié)果未能滿足要求，一開(kāi)始想過(guò)對(duì)不同偏差的板子通過(guò)一條擬合曲線對(duì)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，但采集了多組數(shù)據(jù)后找到一條擬合曲線加進(jìn)去后仍無(wú)法全部滿足要求且耗時(shí)較長(zhǎng)，放棄了此方式校準(zhǔn)，故進(jìn)行了以下分析測(cè)試；
圖1
二、該問(wèn)題造成的影響
正如問(wèn)題描述中提到的，本產(chǎn)品對(duì)測(cè)溫精度的要求是-0.1~+0.1°，然而對(duì)30+片的溫度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)多的一部分未能滿足要求，這里說(shuō)明一下，當(dāng)時(shí)的具體測(cè)試數(shù)據(jù)未能保留下來(lái)，是個(gè)疏忽。
三、對(duì)該問(wèn)題的分析過(guò)程
發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題后，由于當(dāng)時(shí)我經(jīng)驗(yàn)不足，請(qǐng)教了一些人，尋求到一些建議，從以下方面對(duì)該問(wèn)題逐一分析：1、熱敏電阻精度一致性；2、CPU的ADC采集誤差；3、外圍電路元器件精度；
1、熱敏電阻精度一致性：因熱敏電阻本身存在一定的差異，所以率先驗(yàn)證該因素是否為影響測(cè)溫準(zhǔn)確度的主要因素，具體步驟為，在上述30+片溫度貼里取三片（附帶原熱敏電阻），①號(hào)溫度偏低，②號(hào)溫度接近水溫，③號(hào)溫度偏高，重新在一相對(duì)恒定水浴溫度內(nèi)測(cè)得三片裸板的對(duì)應(yīng)溫度并記錄下來(lái)，然后將三片裸板上的熱敏電阻一一取下，分別對(duì)應(yīng)a、b、c，然后彼此之間兩兩交換，并測(cè)量后記錄結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相比之下①號(hào)總是偏低，②號(hào)接近水溫，③號(hào)溫度偏高，三輪測(cè)試之后可以基本確定，同一批次的熱敏電阻導(dǎo)致該溫度誤差的可能性已經(jīng)可以被排除；
2、CPU的ADC采集誤差：將三片裸板的TLV521取下，斷開(kāi)其與CPU的連接，將ADIN接GND，讀取采集到的值轉(zhuǎn)化成電壓值，三片一致性較好，幾乎為0，故ADC的影響可以忽略；
3、外圍電路元器件精度：首先驗(yàn)證橋上各個(gè)電阻阻值大小及精度對(duì)溫度準(zhǔn)確度的影響，選取上述圖1中的一組1%精度電阻值后，先后換了兩組，測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)溫度并無(wú)大的改善，也沒(méi)變得更差，基本排除電阻值對(duì)溫度準(zhǔn)確度的影響；其次就是對(duì)TLV521的測(cè)試，可以從圖2中觀察到TLV521的電氣特性第一項(xiàng)Vos較大，當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)中模擬電壓約5mV對(duì)應(yīng)0.1°，所以極有可能是因?yàn)檫@個(gè)特性指標(biāo)造成溫度誤差較大，接下來(lái)的測(cè)試就是針對(duì)TLV521進(jìn)行，第一步，我先把當(dāng)前狀態(tài)下的三片裸板（①號(hào)溫度偏低，②號(hào)溫度接近水溫，③號(hào)溫度偏高）溫度貼再次測(cè)試一下恒溫水浴下的溫度并一一記錄數(shù)據(jù)，然后將三片板子上的TLV521兩兩互換，保證其他量不變，發(fā)現(xiàn)①號(hào)的TLV521無(wú)論換到哪塊板子上，測(cè)試出的溫度始終是低的，且與其在①號(hào)上時(shí)近似，然后將②號(hào)板子上的TLV521取下放在另外兩塊板子上，發(fā)現(xiàn)測(cè)得溫度與②號(hào)板子之前的數(shù)據(jù)近似，如此操作，對(duì)下一個(gè)驗(yàn)證，結(jié)論仍是如此，到此基本可以確定，TLV521的影響是造成溫度準(zhǔn)確度不夠的主要因素。
圖2
四、解決該問(wèn)題的修改方案
針對(duì)以上分析的結(jié)果，已經(jīng)基本確定是TLV521的Vos電壓導(dǎo)致，所以，綜合部門總管和嵌入式軟件工程師的討論，有兩種解決辦法：a、換一個(gè)性能更好的運(yùn)放，如TLV333；b、可以用ADC采集熱敏電阻阻值在30K（對(duì)應(yīng)37°）時(shí)的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值作比較，并自動(dòng)補(bǔ)償該差值寫入flash，之后的計(jì)算調(diào)用該值以達(dá)到校準(zhǔn)的目的；顯然，從成本和當(dāng)前情況來(lái)看，a方案是不可行的，所以采取了b方案，具體可行性分析還要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證；接下來(lái)嵌入式軟件工程師針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)象以及討論的解決方案進(jìn)行了固件改進(jìn)，搭載硬件燒寫工具進(jìn)行了再一次測(cè)試，前期選取的樣本仍是之前測(cè)試的三片板子，燒寫過(guò)最新修改的固件版本以后，可以讀取寫入的偏移量，初步計(jì)算后發(fā)現(xiàn)不同板子的偏移量值均處于-15.00~+15.00mV區(qū)間范圍內(nèi)，然后放入恒溫水浴測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三片板子測(cè)得的數(shù)據(jù)一致性較之前有很大提高，且均處在37°±0.1°范圍內(nèi)，該結(jié)果已初步驗(yàn)證了上述解決方案的可行性，為了確保萬(wàn)無(wú)一失，我又進(jìn)行了多片抽樣驗(yàn)證，最終的測(cè)試結(jié)果與前三片一致，故說(shuō)明定位的問(wèn)題及解決方案均正確，該問(wèn)題算是基本解決，但為了產(chǎn)品升級(jí)的需要，且后來(lái)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，熱敏電阻的一致性僅限于每一批次，即同一批次生產(chǎn)出來(lái)的熱敏電阻我們認(rèn)為它的曲線一致性較好，但下一次批次就會(huì)有所偏差，或偏大或偏小，所以為了更好地校準(zhǔn)熱敏電阻，嵌入式軟件APP端計(jì)算好的擬合曲線沒(méi)辦法對(duì)每一批次修改升級(jí)，后期嵌入式軟件又加入了對(duì)不同批次的熱敏電阻進(jìn)行抽檢預(yù)測(cè)試，即通過(guò)抽檢確定該批次的一個(gè)誤差范圍，然后將該誤差通過(guò)嵌入式軟件中分配一塊區(qū)域存儲(chǔ)并后期計(jì)算時(shí)調(diào)用，這樣就解決了升級(jí)卻不會(huì)修改測(cè)溫精度的問(wèn)題，希望這種工程案例能對(duì)你們有所啟發(fā)和幫助。
五、最終結(jié)果
以上描述是解決溫度貼1.0版本溫度不準(zhǔn)確的一些重要步驟，當(dāng)然還有一些中間進(jìn)行的操作沒(méi)有具體說(shuō)明，或者說(shuō)是因個(gè)人能力不夠做了一些無(wú)用功，沒(méi)能夠快速準(zhǔn)確地定位到是TLV521導(dǎo)致的，慶幸的是，在部門總管和眾人的幫助下，終于找到問(wèn)題所在并成功解決，這算是我工作中的一個(gè)學(xué)習(xí)和進(jìn)步。
附：
當(dāng)然，上述陳述中是前期溫度貼1.0版本存在的一個(gè)較大的問(wèn)題，后期我們有發(fā)現(xiàn)了一些額外的問(wèn)題：a、不同溫度狀態(tài)下，測(cè)得溫度與實(shí)際水溫存在偏差，如25~35°時(shí)偏高超出0.1°，36~39°時(shí)偏低在0.1°內(nèi)，39~45°高出實(shí)際水溫0.2~0.4°；b、正確使用方式下測(cè)得的溫度偏低于人體溫度，我們欲使其偏高于準(zhǔn)確溫度0.1°，故后面又經(jīng)過(guò)了一輪新的測(cè)試；c、人體測(cè)溫時(shí)升溫速度慢；
針對(duì)上述問(wèn)題a、b的現(xiàn)象，后面增加了一些測(cè)試及驗(yàn)證，因懷疑不同批次的熱敏電阻存在R-T曲線誤差，所以為了解決a、b問(wèn)題，我們對(duì)R-T曲線做了取舍，將原來(lái)的擬合范圍由25~45°縮小至30~40°，能夠保證在30~40°范圍內(nèi)準(zhǔn)確度在±0.1°內(nèi)，然后為了使其正偏，即高于實(shí)際水溫（0，0.1）°，而且能夠適應(yīng)不同批次的熱敏電阻，嵌入式軟件工程師在flash中預(yù)留一定字節(jié)的空間來(lái)存儲(chǔ)校準(zhǔn)系數(shù)，且經(jīng)過(guò)首輪驗(yàn)證和再次驗(yàn)證，成功證實(shí)了該方案的可行性，只是有些繁瑣且必要的前期測(cè)試要做，如針對(duì)每一批次的熱敏電阻抽取一定的樣本，經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，確定出一條適用于該批次的溫度擬合曲線，將其系數(shù)寫入flash以得到符合既定要求的溫度數(shù)據(jù)。
