你有沒有想過恒溫器，汽車發(fā)動機，過濾器和3D打印機加熱床等設(shè)備如何測量溫度？這個項目向您展示如何！

在許多項目中，了解溫度是一個有用的數(shù)據(jù)。了解溫度有助于我們調(diào)節(jié)室溫，防止發(fā)動機過熱，確保3D打印機床足夠熱，使ABS等材料粘在其表面，并防止食物燃燒。

在這個項目中，我們專注于一種可以測量溫度的傳感器：熱敏電阻。

與其他類型的電阻器相比，熱敏電阻具有更高的溫度靈敏度。

我們可以測量和處理熱敏電阻的讀數(shù)，然后將它們轉(zhuǎn)換為更常見的溫度單位。

 

下面是我們將要使用的熱敏電阻的圖片：

珠子熱敏電阻。

 

項目背后的理論

通常，對于使用電阻器的應(yīng)用，您希望避免在溫度變化時電阻發(fā)生變化。雖然這在現(xiàn)實生活中并不是完全可能的，但你可以做到這一點，只有很小的電阻變化對應(yīng)于大的溫度變化。如果你不能這樣做，電阻器真的會在電路中造成嚴(yán)重破壞。例如，隨著環(huán)境溫度的變化，LED會變亮和變暗。

那么，如果你真的希望LED的亮度是溫度的函數(shù)，你會怎么做？那么，你需要一個熱敏電阻。熱敏電阻的電阻變化很大，溫度變化很小。為了說明這個概念，請參見下面的圖1，其中顯示了熱敏電阻的典型曲線：

根據(jù)您購買的熱敏電阻，可以根據(jù)不同的范圍輕松定制熱敏電阻。如您所見，隨著溫度升高，電阻降低。這是負溫度系數(shù)電阻器（NTC）的主要特性。

熱敏電阻也可用作正溫度系數(shù)（PTC）。PTC的工作方式是隨著溫度的升高，電阻增加。但請注意，PTC熱敏電阻具有某種臨界點，并且在某些溫度下會極大地影響電阻，這使得PTC熱敏電阻更難以與之接口。因此，大多數(shù)低成本溫度測量使用NTC熱敏電阻。

也就是說，假設(shè)我們將在本文的其余部分引用NTC型熱敏電阻。
 

找到曲線擬合公式：四種方法

現(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了熱敏電阻的一般行為，下一個問題可能就是我們?nèi)绾斡肁rduino測量溫度。上圖中的曲線是非線性的，因此似乎不可能使用簡單的線性方程。（實際上，我們可以計算出一個等式。本文稍后將詳細介紹。）

那么該怎么辦？

在我們繼續(xù)之前，嘗試考慮如何使用Arduino或甚至只是沒有微處理器組件的電路。

有幾種方法可以解決這個問題。下面討論四種選擇。這遠不是每種技術(shù)的詳盡列表，但它涵蓋了一些流行的方法。

 

方法一

一些制造商提供了整個圖表，其繪制了溫度和電阻的典型值的特定整數(shù)范圍。在Vishay公司編寫的數(shù)據(jù)表中可以看到一個這樣的熱敏電阻。

但同樣，問題出現(xiàn)在你如何在Arduino中做到這一點。所有這些值都需要硬編碼到一個巨大的查找表或很長的“switch ... case”或“if ... then”控制結(jié)構(gòu)中。

如果制造商不提供查找表，則需要由您測量每個點以生成數(shù)據(jù)。聽起來像編程頭痛，對吧？但是，這種方法確實有它的位置。例如，如果您手邊的項目只檢查幾個點或保持在一個小范圍內(nèi)，這可能是要走的路。例如，如果您只想測量值何時落在選定的溫度范圍內(nèi)，并且LED指示燈亮起以指示每次發(fā)生的時間。

但是，在這個項目中，我們想要測量一個接近連續(xù)的范圍并將其發(fā)送到串行監(jiān)視器，這對我們來說這個方法是錯誤的。

 

方法二

另一種方法是通過連接一個與熱敏電阻并聯(lián)的電阻來增加外部電路，從而“線性化”熱敏電阻的響應(yīng)。有些IC已經(jīng)為你準(zhǔn)備好了。

選擇正確的值并確定如何選擇和線性化區(qū)域本身就是一篇文章。如果您的微處理器缺少浮點精度（例如PICAXE），方法二非常適合，因為它簡化了溫度范圍到線性響應(yīng)，并且還使得設(shè)計沒有微處理器的電路變得更加容易。

對于這個項目，我們有一個微處理器，并將使用整個范圍，所以這種方法再次對我們不起作用。

 

方法三

如果你是一個貪婪的懲罰，你可以從數(shù)據(jù)表中獲取表格數(shù)據(jù)，或者更加耗時，生成你自己開發(fā)的數(shù)據(jù)，通過獨立的測量，在Excel等程序中重新創(chuàng)建繪圖。從那里，您可以使用曲線擬合功能生成曲線公式。這為您的程序提供了一個方便的公式，但需要時間和數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

我們寧愿不被困在分析所有這些數(shù)據(jù)，盡管方法三是合法的方法。此外，每個熱敏電阻都有點不同（如果公差水平非常低，則不是一個大問題）。

 

方法四

對于像熱敏電阻這樣的器件，存在一般的曲線擬合公式，稱為Steinhart-Hart方程。有不同的版本，其中使用了平方和立方項。這是等式的一個版本：

1 / T = A + Bln（R）+ C（ln（R））3

其中R是熱敏電阻在溫度T下的電阻（以開爾文為單位）。

這種通用曲線擬合方程可以容納所有NTC型電阻器，因為電阻和溫度關(guān)系的近似值足以滿足大多數(shù)應(yīng)用。

注意，該等式需要三個常數(shù)：A，B和C.這些常數(shù)對于每個熱敏電阻是不同的，必須給出或計算。有三個未知數(shù)，您需要在一定溫度下進行三次電阻測量。從那里，這些測量產(chǎn)生三個方程來解決這些常數(shù)。

即使你是一個代數(shù)巫師，這也是很多工作。

幸運的是，有一個更簡單的方程不太準(zhǔn)確但只有一個常數(shù)。常數(shù)用β表示，因此該方程稱為β方程。

1 / T = 1 / T O +（1 /β）⋅ln（R / R O）

其中R O指的是參考溫度T O處的電阻（例如，室溫下的電阻）。

β通常在數(shù)據(jù)表中提供。如果不是，您只需要一次測量（一個等式）來計算它。

所以我們找到了它。這是我們將用于熱敏電阻接口的等式和方法，因為編碼非常簡單，同時也是我們尚未發(fā)現(xiàn)的最簡單的方法，不需要線性化熱敏電阻的響應(yīng)。

 

測量電阻

由于我們已經(jīng)找到了正確的方法，我們現(xiàn)在需要弄清楚如何在我們將其插入β方程之前測量電阻。這可以使用分壓器完成：

以上是我們熱敏電阻的接口電路。每次熱敏電阻檢測到溫度變化時，它都會反映在輸出電壓中。

通常，我們使用分壓器，其公式如下：

V 出 = V 小號 ⋅（R 平衡 / R 熱敏電阻 + R 平衡）

但是，我們不希望V out作為答案 - 我們想要R 熱敏電阻。我們將解決這個問題：

R 熱敏電阻 = R 平衡 ⋅（V s / V out - 1）

我們即將完善，但我們需要測量電壓輸出和電源電壓。這就是Arduino內(nèi)置ADC的用武之地。

我們可以將電壓表示為一定范圍內(nèi)的數(shù)字數(shù)字。所以，我們的方程結(jié)果如下：

R 熱敏電阻 = R 平衡 ⋅（D max / D 測量 - 1）

這在數(shù)學(xué)上是成功的，因為無論我們?nèi)绾伪硎倦妷海ㄒ苑鼗驍?shù)字為單位），這些單元抵消了分數(shù)中的頂部和底部，留下無量綱數(shù)。在那之后，乘以一個阻力，以歐姆為單位得出答案。

我們的D max將是1023，因為它是我們的10位ADC產(chǎn)生的最高數(shù)字。測量的 D 將被設(shè)置為我們測量的ADC值，范圍從低至零到高達1023。

現(xiàn)在，讓我們建立！

 

布線

我們將在我們的分壓器中使用一個10K歐姆的熱敏電阻，以及一個10k歐姆的電阻用于R 平衡。沒有給出β，因此需要計算。

 

您將在下面找到完整的原理圖。