用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
海量資料庫(kù)查詢
1 引言
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/21004.htm對(duì)高精度傳感器，溫度誤差已成為提高其性能的嚴(yán)重障礙，特別是在環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。依靠傳感器本身附加一些簡(jiǎn)單的硬件補(bǔ)償措施是很困難的，目前對(duì)于一傳感器測(cè)量系統(tǒng)已大量引入了單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制。因此用單片機(jī)自身的特點(diǎn)，利用軟件來(lái)解決傳感器溫度誤差難題是一條有效途徑。
在一單片機(jī)傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，要解決傳感器溫度誤差補(bǔ)償問(wèn)題，首先要測(cè)出傳感器點(diǎn)的溫度，該溫度信號(hào)作為多路采樣開(kāi)關(guān)采集信號(hào)的一路送入單片機(jī)。測(cè)溫元件通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方，用來(lái)測(cè)量傳感器點(diǎn)的環(huán)境溫度，測(cè)溫元件的輸出經(jīng)放大及a／d轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)并行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。信號(hào)采樣結(jié)束，單片機(jī)運(yùn)行溫度誤差補(bǔ)償程序，對(duì)傳感器信號(hào)的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)多個(gè)傳感器，可用多個(gè)測(cè)溫元件，常用的測(cè)溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻、ad950測(cè)溫管、ｐｎ結(jié)二極管等。原理框圖如圖1。
2 建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型
溫度變化給傳感器實(shí)際測(cè)量帶來(lái)誤差，表現(xiàn)在傳感器的輸入輸出特性曲線上產(chǎn)生非線性變化。為解決這樣問(wèn)題，必須使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，找出它們間的關(guān)系，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。
傳感器特性曲線y=f(x)，如圖2所示。
我們可以把該曲線按一定要求分成若干段，在此設(shè)分成n段，然后把相鄰兩段點(diǎn)之間的曲線用直線近似，這樣可以利用線性方法求出輸入值x所對(duì)應(yīng)的輸出值，這就是線性插值法。設(shè)輸入值在（xi,
xi+1）之間，則其對(duì)應(yīng)的輸出值y可由下式求得：
從上式可知，只要n取得足夠大就可獲得良好的精度。
若傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，采用線性插值法，誤差就很大，這時(shí)可采用二次曲線插值法，即通過(guò)曲線上3個(gè)點(diǎn)a（x0、y0），b(x1、y1)，c(x2、y2)做一拋物線，用此曲線代替原來(lái)的曲線，如圖3所示。曲線方程為一元二次方程，一般形式為：
y=k0+k1x+k2x2
式中k0，k1，k2為待定系數(shù)，可用曲線y=f(x)的3個(gè)點(diǎn)a，b，c的二元一次方程組求解，這就需要解聯(lián)立方程組，計(jì)算較復(fù)雜，列出的程序也較復(fù)雜，因此可以用另外一種型式：
由此可見(jiàn)，利用3個(gè)已知點(diǎn)a，b，c的數(shù)值求出系數(shù)m0，m1，m2后，存放在相應(yīng)的內(nèi)存單元，然后根據(jù)某點(diǎn)的x值代入式（1）即可求出被測(cè)值y。
以上是對(duì)傳感器建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，用此模型可實(shí)現(xiàn)傳感器溫度補(bǔ)償。
3 實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?
首先給定k個(gè)溫度值（t0，t1，t2，…，tk－1），測(cè)出每個(gè)溫度點(diǎn)上傳感器靜態(tài)特性曲線在u 軸上的截距（u0，u1，…，uk），每個(gè)溫度點(diǎn)上傳感器特性曲線的數(shù)據(jù)要精確，必要時(shí)應(yīng)在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行，這需要較大的工作量，如圖4所示。
圖中y為被測(cè)物理量，u為輸出電壓，利用最小二乘法曲線擬合求出截距u的多項(xiàng)式：
將b0，b1，b2，…，bk和計(jì)算上式的子程序送入內(nèi)存，溫度值t0，t1，…，tk-1和傳感器對(duì)應(yīng)的輸出電壓值u0，u1，…， uk-1按順序分配方式存入內(nèi)存，構(gòu)成一個(gè)線性表，采集數(shù)據(jù)時(shí)，cpu按線性查找對(duì)應(yīng)溫度的電壓值u，并按下式計(jì)算對(duì)應(yīng)的被測(cè)物理量y：
y =(u-u) tgα
式中u是溫度直線在坐標(biāo)上的截距，可用線性插值由輸入的t求得，α是溫度直線與縱坐標(biāo)軸u的夾角。
按圖5流程編制補(bǔ)償程序，并作為子程序與監(jiān)控程序一并使用，以便采集數(shù)據(jù)時(shí)按流程圖自動(dòng)溫度補(bǔ)償。
對(duì)溫度特性曲線斜率變化大的傳感器，一般采用分段線性插值法，在不同溫度t（i=1，2，…，k）下測(cè)出下列數(shù)值：
式中： yij—溫度ti時(shí)第j次輸入傳感器的被測(cè)物理量；
uij—溫度ti時(shí)第j次測(cè)得的傳感器輸出電壓。
用擬合法求出各溫度上的傳感器靜態(tài)輸出輸出特性的擬合多項(xiàng)式：
將b0，b1，b2，…，bk和以上多項(xiàng)式的計(jì)算程序?qū)懭雰?nèi)存，數(shù)據(jù)采集過(guò)程按圖6流程圖進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即由輸入t和u查找和計(jì)算y值，采用的分段線性插值方法，只要k足夠大，其誤差就足夠小。
4 結(jié)語(yǔ)
用單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償，是一種簡(jiǎn)便、有效的方法。它可以大大提高傳感器的測(cè)量精度，降低測(cè)量系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度，提高可靠性，降低成本。特別是如硅阻、應(yīng)變片、電容式等傳感器受溫度影響大，使用該方法可以提高它們測(cè)量精度。目前單片機(jī)廣泛使用在自動(dòng)檢測(cè)儀表中，使用該方法實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償，是一條行之有效的途徑。
評(píng)論