高精度NTC测温的硬件电路以及软件设计

什么是NTC

NTC是热敏电阻，其电阻值对温度变化敏感，在不同的温度下，可以呈现不同的电阻值。

热敏电阻有两类，一类是负温度系数电阻(NTC)，温度增加时，电阻值降低，另一类是正温度系数电阻(PTC)，温度增加时，电阻值增加。

热敏电阻的电阻值计算

NTC的电阻值R与温度的关系可以近似表示为：

公式1,电阻与温度函数关系式

其中T是绝对温度，数值为摄氏温度+273.15，单位为K(开尔文)。

R0一般取温度25℃即298.15K时的电阻值，对应的T0取25℃，即298.15K。

B为材料常数．不同的村料或者生产工艺都能导致B的数值发生变化，甚至在热敏电阻的工作范围内，B的数值都可能发生变化，而不是严格的常数；

因为NTC的电阻与温度呈非线性的关系，而且存着温度的增加，温度随着温度变化的变化率越小。

所以随着温度的增加，NTC测温的精度变化；

所以比较适合于温度变化范围小的使用场景，比如环境温度（约为-20℃-50℃）或者是水温的检测(0℃-100℃)。

下图是在淘宝上搜索到的一款NTC，按照温度为25℃的电阻取值，可有5KΩ，10 KΩ等不同的规格，而材料系数B值固定为3950。

从淘宝搜索到的一款NTC

我们选择10K的规格，根据公式1，可以得到这款NTC的电阻与温度的关系为：

公式2,电阻与温度的函数关系式

通过excel表格的公式，在excel工作薄的第一列输入温度，第二列输入公式可以得到不同温度下的电阻值，比如0℃为33.6 KΩ

采用excel计算AD值

NTC测温电路的设计

NTC测温核心在于具有ADC功能的MCU，电路比较简单，只需要将固定的电压经过另一个高精度的电阻分压接到NTC电阻，然后将分压值连接到MCU的ADC输入口。

如下图：

NTC测温电路

R1为1%精度的电阻，R2为NTC，

0.1uF的电容C1除了可以滤除从电源引入或者从电路板感应来的高频干扰信号，另外当ADC有多路AD输入在转换时，MCU的AD模块需要通过模拟开关切换不同的通道，再进行采样转换，电容C1可以在ADC切换通道之后，迅速向采样电容充电，从而可以提到转换速度，避免因采样时间太短而导致测量不准确。

R1上拉的电源应该和MCU的ADC的参考电源共用一个电源（在一般的设计中，MCU的供电电源和ADC的参考电源共用一个电源）。

这是因为：

输入ADC的AD值为(假设为12位的ADC)：

AD值计算公式

如果上拉的电源ADC的参考电源共用一个电源，可以得到和上位电源无关的一个公式：

AD值计算公式

所以可以消除电源精度对测试的影响，同时减少了计算的复杂性；

NTC测温软件的设计

我看到在一个网友的程序设计中，他直接将公式1取对数，通过复杂的对数运算和倒数运算得到温度值，这是不合适的，

主要是：

1. 普通的单片机不一定提供这样的数学函数库。
2. 普通的单片机没有浮点数运算，浮点数都是转成整弄运算的，不可避免会有舍入误差。
3. 单片机做对数，倒数的运算，只能是近似算法，而且会耗费大量的运算时间，可能会到几百ms级，影响了对其它功能处理的实时性。
4. 公式1只是一个近似公式，B值也并不是一个常数，用这样具体的解析公式计算，没有办法根据实际测量值对计算值进行标定，从而提高测量精度。

我在实际的项目中，采用的是分段线性化的方法，步骤如下：

采用excel表格自动生成C语言中包含AD与温度的二维数组

1. 将测温范围分若干个区间，比如在0-100度的范围内，分100个区间，每个区间范围为1℃
2. 计算或者实测每一个区间下限和区间上限的温度值； 比如区间30℃-31℃，根据公式1计算或者实际测试出30℃以及31℃的AD值。
3. 将这些区间表示为2维数组（这个2维数组也可以通过实际测试形成）；
4. 取出将AD转换并多次平均之后数值，编历分段的区间，与这些区间的AD上、下限进行比较，判断落在哪一个区间，
5. 根据一次函数的公式进行区间内的插值修正：

测试温度值=区间温度下限+(区间温度上限-区间温度下限)/(区间AD上限-区间AD下限)*(AD测量值-区间AD下限)

最后奉上本人使用的分段线性化的程序：

分段线性化程序