基于单片机温度测量的标定方法

在基于单片机的温度测量系统中，温度标定是一个重要的环节。本文在航空发动机温度检测电路的基础上，通过对不同标定方法的研究，提出了一种改进的温度标定方法，该方法利用上位机和下位机协同完成温度的标定。

1 硬件设计

热电偶是测量航空发动机燃气温度的常用温度传感器，其中K型热电偶由于线性好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性好等优点，在航空发动机中得到了广泛应用。实验中使用毫伏源模拟热电偶产生的热电动势。

A/D转换电路采用高精度的AD7606芯片，其是16位、8通道同步采样模数数据采集系统，可处理±10 V和±5 V真双极性输入信号。

主控MCU采用高性能16位飞思卡尔单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。

上位机采用Delphi设计，通过CAN接口与单片机通讯，显示AD值和温度值，并可向下位机发出指令，整体硬件结构如图1所示。

2 温度标定方法的对比和研究

2.1 查表法

在实时控制和数据处理系统中，对程序的运算速度要求较高。若完全利用CPU多次重复处理同一复杂运算，将占用较长时间。为避免复杂的现场运算、缩短运算时间，可采用查表法将复杂的运算事先做好，将结果存储在内存中，程序运行需要该运算时将结果调出即可。

查表法需要制作数据量很大的表格才能获得较高的精度，这将占用较大的内存。若硬件发生改变，必须重新计算并制作表格，软件可移植性差。

2.2 直接拟合法

根据热电偶分度表，调节输入电压值，通过上位机显示记录转换后的AD值。经A/D转换得到的数字量与实测的温度值之间不具有线性关系，工程上常采用最小二乘法对其进行拟合，求出函数关系。将该函数写入下位机程序，即可将测得的AD值转换成对应的温度值。

直接拟合法的缺点在于不能调零和调满，而且硬件一旦发生改变，相关函数必须重新拟合，软件可移植性差。

2.3 二次拟合法

二次拟合法是在直接拟合法的基础上改进而来，其原理如图2所示。

热电偶测量温度得到的热电动势(V)与实测的温度值(T)之间不具备线性关系，根据其分度表采用最小二乘法进行拟合得到函数关系T=f(V);由于输入的电压信号与A/D转换后得到的数字量之间线性关系较好，采用两点法求得V=g(AD)，利用该函数关系可实现调零和调满。上面两个函数复合得到温度与AD值之间的函数关系T=f[g(AD)]。

软件流程如图3所示，由于V和AD值之间呈线性关系，可设V=aAD+b(a，b为常数)。令T=f(aAD+b+Vx)，Vx初始值为零。首先调零，输入零点温度对应的电压V0，由上位机发出调零指令，在Flash中保存零点AD值AD0，同时令Vx=-V0，则T=f(aAD0+b-V0)=f(V0-V0)=0，实现显示清零;接着调满，输入满量程温度对应的电压，由上位机发出调满指令Vf，保存满程AD值ADf，并将Vx清零，联立方程式

此时显示满量程温度值，且完成温度的标定。

3 实验数据分析

分别采用直接拟合法和二次拟合法对测温系统进行温度标定。调节毫伏源输入电压值，通过上位机读取测得的温度值，并与飞机发动机温度检测仪的技术指标进行对比。测量结果如表1所示。

从表1的测量结果可看出，直接拟合法和二次拟合法的误差均在允许误差以内，符合精度要求。但二者误差精度和稳定性存在明显差别，如图4所示。

从图4可看出，直接拟合法的最大误差达0.5℃，且稳定性较差;而二次拟合标定法的最大误差仅为0.2℃，测试结果稳定性较高。因此二次拟合标定法的精度和稳定性均优于直接拟合法。

4 结束语

二次拟合法利用AD7606输入的模拟量和输出的数字量之间线性度较好这一特点，分两步拟合出温度值，与直接拟合法相比减少了中间误差，从而使基于单片机的温度测量系统具有更高的精度和稳定性。输入电压和转换后的AD值之间的关系是通过两点法求得的直线方程，这两点分别是温度零点和满程对应的电压值和AD值，因此二次拟合法可完全通过软件对温度调零和调满，无需增加或调节硬件。二次拟合法标定过程中需要的AD值可随时由上位机读取，不受硬件变化的制约，因此可移植性较高。