基于LM3S101处理器的温度测量模块设计
1．2 处理器的选型
处理器是整个测温模块的控制及数据处理的核心。特别是在本设计中，由于热敏电阻的阻值需要直接由处理器进行检测，其性能会对测温效果、精度、数据处理速度 等产生较大影响。综合处理器速度、性能与价格的考虑，选用ARM处理器LM3S101。LM3S101是基于ARMCortexTM-M3内核的控制器， 该器件是32位处理器，采用哈佛架构、Thumb-2指令集，主要特点如下：1)具有32位RISC性能；2)具有2个内部存储器，内部集成了8 KB单周期的Flash ROM，2 KB单周期的SRAM；3)具有2个32位的通用定时器，其中每个都可配置为1个32位定时器或2个16位定时器，同时还有遵循ARM FiRM规范的看门狗定时器；4)具有同步串行接口SSI，和UART串行接口，具有很强的信号传输功能；5)2～18个GPIO端口，可编程灵活配 置；6)时钟频率达到20 MHz。
除此之外，该款处理器由于采用CortexTM-M3内核，支持单周期乘法运算，这在测温数据处理时会有较高的数据处理速度与效率。同时，该处理器成本低。
1．3 影响测温精度的主要因素
由于采用RC充放电的方式获取热敏电阻阻值，因此整个测温模块所需外围元件很少，热敏电阻阻值获取的精度是影响模块测温精度的主要因素之一。由热敏电阻阻 值获取原理可以看出，影响测温精度的主要因素有：1)参考电阻RF的精度；2)热敏电阻RT的精度；3)处理器内部定时器的位数与精度。处理器工作频率越 高，定时器位数越大，则处理精度越好。
阻值获取的精度是与处理器的输出电压值、门限电压值、电容C的精度、电阻RD的精度无关的，因此只要合理选择处理器和高精度的RF与RT，就可以使热敏电阻阻值的测量有较小的误差。为保证测温精度，热敏电阻RT选用标称值为10 kΩ(或100 kΩ)，B值为3 950，1％精度热敏电阻，参考电阻RF选用10 kΩ(或100 kΩ)，l％精度的金属膜电阻。
1．4 模块硬件电路设计
以ARM处理器LM3S101为核心，结合上述热敏电阻阻值获取原理，给出该测温模块核心部分电路原理图，如图2所示。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/195195.htm
由图2可看出，按上述的电容充放电热敏阻值检测原理进行硬件设计，核心部分电路较为简洁，避免了传统方式中A／D器件的应用，达到了简化硬件电路设计，降 低硬件成本的目的。同时，这种设计又不过多占用处理器的I／O端口，对处理器资源的占用也较少。由于这种方式在阻值获取时需处理器具有较高的计数精度，而 在阻值到温度值转换时需处理器具有较强的运算能力，因此选用LM3S101进行核心处理，其
20 MHz的时钟频率及ARMCortex-M内核集成的硬件乘法单元对此有很好的保证。电路图中，其他部分简要说明：SP6201是集复位功能于一体的低压差线性稳压(LDO)器，将5 V电源转换为处理器LM3S101所需的3．3 V，同时产生处理器工作所需的复位信号。电阻RF、RT、RS和电容C6构成RC充放电电路，用以实现热敏电阻阻值的检测，与处理器通过PA2、PA3、PA4 3个GPIO接口相连。LM3S101的10和ll引脚使用其UART功能，连接至电平转换电路，以实现模块通过串口的通信及温度数据发送功能。
2 数据处理及软件设计
2．1 热敏电阻测温曲线的线性化处理
热敏电阻的测温曲线反映了热敏电阻阻值与被测温度值之间的关系，由Steinhart-Hart方程确定：
式中，RT是热敏电阻在T1温度下的电阻值；R是热敏电阻在常温T2(T2=25℃)下的标称电阻值；B值是热敏电阻的材料常数；T1和T2为开尔文温度。
由Steinhart-Hart公式可知热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条非线性的指数曲线，直接使用该方程运算量大并且编程麻烦，需要进行线性化处理。 由于该方程非线性程度较大，同时阻值到温度值的转换也是影响测温精度的主要原因之一，为使线性化处理不至于带来较大的误差，线性化过程进行了以下特殊处 理：
1)如果用一条直线代替该指数测温曲线，则不管采用什么样的线性化处理方法，误差都比较大。为解决这一问题，在整个测温范围之内对该曲线进行了分段的线性化处理，使误差能够控制在合理的范围内；
2)分段线性化时，对测温曲线的分段采用非等间隔分段，在曲线非线性程度较小的区域内采用5℃分段间隔，在曲线非线性较为严重的区域内，采用较小的1℃分段间隔，以减小处理误差；
3)在每一段测温曲线的线性化处理中，采用最小二乘法确定直线方程，以减小直线拟合的均方误差。
实测结果证明，采用上述的线性化处理方法，可以有效提高处理精度，大大减小线性化处理的误差，保证测温的精度要求，同时运算速度也能得到保证。
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