一種電冰箱檢測線溫度傳感器校驗(yàn)平臺

魯照權(quán)，彭海軍，鄭國俊，余 波，朱 敏

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 優(yōu)化控制技術(shù)研究所，安徽 合肥230009）

電冰箱出廠前需要試運(yùn)行幾十分鐘甚至數(shù)小時，同時檢測冷藏室、冷凍室、壓縮機(jī)進(jìn)氣口、出氣口和環(huán)境溫度、壓縮機(jī)功率等參數(shù)，以判斷電冰箱是否合格。一條電冰箱檢測線少則使用數(shù)百只溫度傳感器，多則使用數(shù)千只溫度傳感器。為了準(zhǔn)確檢測溫度，曾經(jīng)采用熱電阻、AD590等模擬式溫度傳感器。由于模擬式溫度傳感器均需要檢測轉(zhuǎn)換電路與A/D轉(zhuǎn)換器，使得電冰箱檢測線的制造與維護(hù)成本很高。DS18B20的問世給電冰箱檢測線數(shù)千點(diǎn)溫度檢測提供了極其方便的途徑。DS18B20直接輸出相應(yīng)溫度的數(shù)字量，無需轉(zhuǎn)換電路與A/D轉(zhuǎn)換器，使用極其方便，已被電冰箱生產(chǎn)廠家廣泛采用。

DS18B20采用“1-Wire”接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，最高溫度分辨率為 0.062 5℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi),精度為±0.5℃。溫度值采用12位二進(jìn)制數(shù)表示，存儲在DS18B20的兩個8 bit的RAM中，其中高 5位為符號位，低11位為溫度值。如果測得的溫度大于等于0℃，高5位為0，將低 11位的數(shù)值乘0.062 5即可得到實(shí)際溫度值；如果測得的溫度低于 0℃，高5位為 1，將低11位取反加1再乘0.062 5即可得到實(shí)際溫度值。

通常電冰箱冷凍室的溫度低于-20℃，壓縮機(jī)排氣口溫度可高達(dá)60℃左右，為了保證檢測線上數(shù)千只溫度傳感器測量偏差不大于±0.5℃，必須對DS18B20在-30℃～+60℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校驗(yàn)篩選。為此，本文設(shè)計(jì)了一個DS18B20溫度傳感器校驗(yàn)平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

校驗(yàn)平臺由酒精恒溫槽與傳感器校驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成。酒精恒溫槽模擬不同的被測溫度。系統(tǒng)以P89LPC935單片機(jī)為核心，Pt100測溫電路為校驗(yàn)平臺提供準(zhǔn)確溫度值。DS18B20為待測溫度傳感器，校驗(yàn)平臺一次可以檢測16只傳感器。繼電器接口用來控制酒精槽制冷、制熱工作，為傳感器模擬-30℃～+60℃范圍的工作溫度。采用七位數(shù)碼管，顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度、待測傳感器的溫度檢測值、二者偏差值等數(shù)據(jù)。

上位機(jī)可以通過串口接收、顯示各個傳感器的測量數(shù)據(jù)和校驗(yàn)結(jié)果。通過按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開始、停止等功能。

DS18B20是單總線、數(shù)字式溫度傳感器，對時序要求比較嚴(yán)格。工作時序包括初始化時序、讀時序和寫時序。常用的基本操作有 Skip Rom（跳過 Rom）[CCH]、Convert Temperature（溫度轉(zhuǎn)換）[44H]和 Read Scratchpad（讀暫存存儲器）[BEH]。測得的溫度值存儲在高速暫存RAM的前兩個字節(jié)中。P89LPC935通過連續(xù)兩次讀操作，可以獲得溫度值。首先讀取的是低位字節(jié)TL，接著是高位字節(jié) TH[1]。P89LPC935與DS18B20的接口電路如圖 1所示。本系統(tǒng)需要一次校驗(yàn)16個DS18B20，因單片機(jī)引腳有限，故選用 16選 1模擬開關(guān) CD4067。A、B、C、D為通道選擇端，INT為控制端。當(dāng)INT=1時，關(guān)閉所有通道。

圖1 單片機(jī)與DS18B20接口電路

2 標(biāo)準(zhǔn)溫度值獲取

標(biāo)準(zhǔn)溫度值是校驗(yàn)的參考溫度，將DS18B20測得的溫度值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以決定其是否合格。因此，標(biāo)準(zhǔn)溫度值的獲取至關(guān)重要。Pt100鉑電阻具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠等特點(diǎn)。在0℃～650℃范圍內(nèi):Rt=R0(1+At+Bt2)；在-200 ℃～0 ℃范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)。 式中，R0=100 Ω，為 t=0℃時的電阻值，A=3.968 47×10-3，B=-5.847×10-7，C=-4.22×10-12。

Pt100是電阻式溫度傳感器，溫度變化引起電阻變化。將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大后，再將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機(jī)換算成相應(yīng)的溫度。Pt100測溫電路采用三線制接法，如圖2所示。

圖2 Pt100測溫原理圖

LM334為恒流源，外加二極管和電阻，就可以為Pt100提供恒定的電流，調(diào)節(jié)電位器R3即可改變電流大小。當(dāng)溫度改變時，Pt100電阻改變，引起電壓變化。MC1403為基準(zhǔn)電壓源，提供2.5 V精密電壓，經(jīng)電位器分壓后送入運(yùn)放作為調(diào)零信號。前端測得電壓值經(jīng)過運(yùn)放OP07放大，送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后換算成溫度值，即可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量[2-4]。

在Pt100測溫過程中，由于各種原因，測量結(jié)果和真實(shí)值之間總會存在一定的誤差，使得測量結(jié)果不能客觀地反映實(shí)際溫度。根據(jù)測量誤差的性質(zhì)，可以將誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。由于Pt100測得的溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度值，因此，必須將它的誤差減到最小，這就需要選擇合適的誤差分析和消除方法。

為了消除Pt100測溫電路的系統(tǒng)誤差，必須調(diào)整好電路的零點(diǎn)和增益。零點(diǎn)包括運(yùn)放的零點(diǎn)和溫度的零點(diǎn)。將J_Pt100的1號腳與B點(diǎn)短接時調(diào)節(jié)運(yùn)放的調(diào)零電位器，使運(yùn)放的輸出為零；用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱替代Pt100，將其阻值打在 100 Ω 上，調(diào)節(jié) R3，使 A點(diǎn)電壓為0.3 V，即恒流源為3 mA，再調(diào)節(jié) R5，使 B點(diǎn)電壓也為0.3 V，此時溫度顯示值為零；再將標(biāo)準(zhǔn)電阻箱打在123.24 Ω上，調(diào)節(jié)電位器R10，使C點(diǎn)電壓為P89LPC935內(nèi)部A/D參考電壓3.3 V左右，溫度顯示值 為 60 ℃[5]。

隨機(jī)誤差主要是由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的大量因素共同造成的，這些因素主要有溫度波動、噪聲干擾、電磁場微變、空氣擾動等。為減小Pt100測溫的隨機(jī)誤差，采用算術(shù)平均值作為測量結(jié)果[6,7]。

基于統(tǒng)計(jì)理論的粗大誤差判定準(zhǔn)則主要有萊以特準(zhǔn)則、格羅布斯準(zhǔn)則、羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則和狄克松準(zhǔn)則。本系統(tǒng)測量次數(shù)較少(15次)，采用格羅布斯準(zhǔn)則判定粗大誤差可以獲得較好的判定效果。先將多次測量的樣本按從小到大順序排列，格羅布斯臨界系數(shù) G(n,α)值為G0，分別計(jì)算出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差 σ、G1和 Gn，其中，G1=(-x1)/σ，Gn=(xn-x)/σ。

若 G1≥Gn且 G1≥G0，則 x1含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除；

若 Gn≥G1且 Gn≥G0，則 xn含有粗大誤差，應(yīng)予以剔除；

若 G1＜G0且 Gn＜G0，則不存在粗大誤差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 應(yīng)用格羅布斯準(zhǔn)則消除粗大誤差軟件流程

通常消除粗大誤差和隨機(jī)誤差，都是采用去極值算術(shù)平均值法。在這組數(shù)據(jù)中，首先，去掉最大值20.55和最小值20.40，再求剩下數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，可得x=20.51。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用格羅布斯準(zhǔn)則消除粗大誤差，要比去極值法效果更理想，更接近真實(shí)值。

利用Visual C++6.0設(shè)計(jì)上位機(jī)顯示界面，用來顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度值、各個待校驗(yàn)DS18B20的溫度值、與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值以及最終校驗(yàn)結(jié)果[9,10]。

表1 Pt100溫度測量數(shù)據(jù)

為了保證電冰箱檢測線數(shù)千只DS18B20溫度傳感器，在-30℃～+60℃溫度范圍內(nèi)，測量偏差均不大于±0.5℃，本文以P89LPC935為核心設(shè)計(jì)了DS18B20溫度傳感器校驗(yàn)平臺。用Visual C++6.0設(shè)計(jì)了上位機(jī)校驗(yàn)結(jié)果顯示界面。采用Pt100熱電阻作為標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器。為了提高Pt100熱電阻的檢測精度，設(shè)計(jì)了恒流三線制Pt100熱電阻溫度轉(zhuǎn)換電路，采用算術(shù)平均值法、格羅布斯準(zhǔn)則分別減小隨機(jī)誤差和粗大誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該校驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)合理，判斷準(zhǔn)確、使用方便。篩選后的傳感器完全符合用戶的要求。

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