NTC测温——查表计算vs公式计算

NTC测温,尤其面对通过ADC转换得到的数值时,你是否会犹豫:用什么方式更为合理地将这个ADC值转换为温度T?

假设我们已经对ADC的分辨率、准确度,以及所选的NTC精度范围都有了选择。对于绝大多数的应用而言,通过电阻分压方式的配置就可以满足我们所需的配置及所需的精度;个别高精度的NTC测温会用到4线制以消除导线电阻带来的误差,这些暂不在我们今天讨论的话题范围。

●查表方式的特点

●查表方式的操作:二分法查找和线性插值;

●通过R-T表获取拟合NTC的R(T)特性公式;

●公式计算方式的特点

●对于查表和R-T公式计算方式测温的两种方法比较

查表方式的特点

相对的,对于测量精度要求不是太高,或者只提供了R-T表的,而且相应温度测量范围不是太宽情况下的应用,用查表方式一般可以解决问题。这里表内存储的元素为int类型的ADC值,而不是其他字节数长度更多的float或者double数,否则无法达到节省代码的目的,从而表占用的代码空间就不会太大。当利用查表方式使用NTC测温时,最好将制表的温度分辨率不低于需要的测温精度。例如,如果测温精度要求为+/-1°C,那么表中的温度参数间隔就至少不低于1°C;而位于表内两个邻近温度值之间的数值,则采用线性插值的方式进行。

以除雾传感器中的NTC为例。下侧图中:

●R_NTC为当前的NTC

●Rs为串联分压电阻(9kohm)

●Vcc为驱动电压(5V)

●V_ADC为12位的分压ADC数值。

在以上这种设定情况下,我们通过使用excel可以得到像以下一样的表格:

这样,通过这个表,我们就可以建立温度和分压电路ADC之间的映射。从表中任意两个相邻温度对应的ADC值可以看到,还有许多ADC值将面对“空白”。

如果允许,一方面我们可以在两个温度值对应的ADC之间进行线性插值的方式进行换算;另一方面,如果允许,还可以生成更多的数值对,以实现更高的查表分辨率。

另外,如果限于所使用器件(比如MCU的代码空间尺寸)的限制,不得不使用当前表格的分辨率,甚至需要减小表格的温度分辨率时(比如从间隔1°C增加到2°C),如果允许,就更需要使用线性插值的方式来计算当ADC值落入中间空白值时对应的温度,比如在上表中如果ADC=2700时,那么对应的温度值将处于10°C和11°C之间。

我们看一下基于分压电路的ADC值和温度T之间的关系图(如下)。

再比较一下NTC的原始R-T图(如下)。

由于ADC值/T图中的曲线更加平直,在横轴上取温度间隔T很小时,对应的ADC—T曲线将非常近似于直线,这也是为什么可以在相邻的表格温度T与ADC值之间可以采用线性插值的理由。

查表方式的操作:二分法查找+线性插值

两个步骤:(1)二分法找到当前ADC对应的表中索引位置;(2)线性插值计算温度值。

以上代码中,当low==high,即二分法查找函数返回的数组索引值相等时,此时ADC值刚好有对应表值,否则,返回值表示当前的ADC结果位于表中array[low]和array[high]两个值之间。

当ADC的值位于表中array[low]和array[high]两个元素值之间时,就可以考虑线性插值了。

如图,在对应的2个ADC值之间出现一个中间值ADC时(橙色线表示的坐标点为待求值,图中温度间隔为1℃),由于ADC(n)和ADC(n+1)之间近于直线,则根据简单的相似原理计算出T后就可以得出当前ADC(t)值对应的温度值。

得到:

所以,ADC(t)对应的温度值就是(T+)。这里ADC(n)和T之间存在简单映射。读者需要根据自己的温度间隔设置来调整上面的公式。

在一些小型应用中,如果因为MCU的代码空间限制问题导致无法使用更多的代码,则可以简单估算中间值,或者只好牺牲一些表格精度了。

可能会有人问,为什么一直在说MCU的代码空间?如果有R-T公式,直接调用中的公式是不是会更加节省代码?比如像下面的这种公式:

通过R-T表获取拟合NTC的R(T)特性公式

由于手边只有R-T表,现在考虑通过拟合的方式获取R-T特性公式。

其中,T(K)=t+273.15,T0=273.15+25=298.15(K),R_To在这里也是常数,取25℃时的R值,可以从R-T表中读取。通过处理lnR和1/T之间的线性关系,可得下图所示的坐标图:

从拟合的公式中看到,可以取材料常数β=3365.8K。

余数部分经核算也基本符合,和上图拟合公式中的2.1166相差0.04。

到这一步,[式-2]中常数项都已经得到,R-T特性公式也就定了。如果知道了NTC的当前R值,就可以根据[式-2]计算温度值。

公式计算方式的特点

由公式计算温度值通过以下几步完成:

读取分压电路的ADC值;

通过ADC值计算NTC的R(T)值;

将R(T)值代入[式-2]计算获取温度值。

直接代码如下:

使用公式计算似乎更为方便。不着急,我们先看一下后续的比较。

对于查表和R-T公式计算方式测温的两种方法比较

单从表面的代码长度上比较的话,用公式计算的代码要比要查表的代码简单得多。不过我们还是先比较一下实际编译后的可执行代码尺寸。

以下的数据基于STM32F103和STM32CubeIDE。

从上面的表中可以看到,看似代码少的公式计算法反而需要更多的代码空间。而查表的方法(+插值运算)所需的代码空间却要更少些。

实际上,公式方式中单纯调用log的计算所用到的函数,就会占用1~2k的字节。如果用于计算我们另外一款SC30系列高精度互换型NTC,则在额外使用指数函数(可以用连乘方式替代)的时候,代码还会再额外增加2k字节的样子。

所以真要比较两种计算方法,我们可以简单罗列如下表:

总结

应用的选择考虑,总是成本和效能的博弈结果。穷则迂回穿插,达则全域轰炸。

从NTC的基本原理可以知道,它是一种负温度系数的热敏电阻,即温度越高,阻值越低。由于它的温度和阻值是非线性的,因此NTC阻值转化为温度需要一定特殊方法,今天就来讨论NTC温度传感器获取温度最常用的方法——查表法。

本文以TEConnectivity10K3A1I系列温度传感器为例介绍NTC的电阻值与温度有对应关系

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THE END
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