摘  要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)DS18B20溫度傳感器校驗(yàn)平臺(tái)。將Pt100測得的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度值,，校驗(yàn)溫度傳感器是否合格,。為了提高Pt100測得溫度的精準(zhǔn)性，使用格羅布斯準(zhǔn)則和算術(shù)平均值法分別消除粗大誤差和隨機(jī)誤差,。以P89LPC935為核心設(shè)計(jì)了校驗(yàn)平臺(tái)的硬件和軟件,，并使用Visual C++ 6.0設(shè)計(jì)了上位機(jī)顯示界面。
關(guān)鍵詞： DS18B20,；Pt100,；溫度傳感器；校驗(yàn)

　電冰箱出廠前需要試運(yùn)行幾十分鐘甚至數(shù)小時(shí),，同時(shí)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(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8 bit的RAM中，其中高5位為符號(hào)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(duì)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(gè)DS18B20溫度傳感器校驗(yàn)平臺(tái),。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    校驗(yàn)平臺(tái)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(tái)提供準(zhǔn)確溫度值,。DS18B20為待測溫度傳感器，校驗(yàn)平臺(tái)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(gè)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(duì)時(shí)序要求比較嚴(yán)格。工作時(shí)序包括初始化時(shí)序,、讀時(shí)序和寫時(shí)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(chǔ)器）[BEH],。測得的溫度值存儲(chǔ)在高速暫存RAM的前兩個(gè)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(gè)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(shí),，關(guān)閉所有通道。

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(shí)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(hào)，經(jīng)放大后,，再將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，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,。

    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(shí),，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(hào)。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(hào)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(huì)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(hào)腳與B點(diǎn)短接時(shí)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(shí)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(duì)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(dòng)、噪聲干擾,、電磁場微變,、空氣擾動(dòng)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]。

    將粗大誤差剔除后,，重新計(jì)算平均值x,、標(biāo)準(zhǔn)差σ、G0,、G1和Gn,，重復(fù)上述步驟繼續(xù)進(jìn)行判斷，依此類推，直至完全消除粗大誤差[8],。格羅布斯準(zhǔn)則消除粗大誤差軟件流程如圖3所示,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在相同條件下，進(jìn)行15次測量測量數(shù)據(jù)如表1所示,。選用格羅布斯準(zhǔn)則消除粗大誤差,。首先按測量值大小

    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(gè)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],。
    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(tái)。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(tái)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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