一种温度检测装置及温度检测方法与流程

本发明涉及信号检测技术领域，具体地说，涉及一种温度检测装置及温度检测方法。

背景技术：

在电机传动控制领域，电机内部的温度主要通过负温度系数热敏电阻(简称NTC热敏电阻)或铂电阻(简称PT100电阻)进行测试，由这两种电阻制作的温度传感器有着截然不同的特性。

NTC热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小，从几百千欧到几百欧呈指数关系非线性变化。而PT100电阻的阻值随着温度的升高而增大，从几十欧到几百欧呈线性变化。因此，NTC热敏电阻的采样电路适合用恒压源分压的方式，PT100电阻的采样电路适合用恒流源的方式。在不更改硬件电路的条件下，这两种电阻制成的温度传感器的处理电路很难做到统一。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种温度检测装置及温度检测方法，用以统一NTC热敏电阻和PT100电阻采样电路，并实现两种类型温度传感器的自动识别和温度检测。

根据本发明的一个方面，提供了一种温度检测装置，包括：

第一电阻，其与基准电源连接；

第二电阻，其与所述第一电阻串联，且与待测的热敏电阻并联；

控制模块，采集所述第二电阻和所述热敏电阻并联两端及所述第一电阻两端的电压信号，基于所述电压信号计算热敏电阻的阻值，并基于计算得到的热敏电阻的阻值获取待检测温度。

根据本发明的一个实施例，所述热敏电阻包括PT100电阻和NTC热敏电阻。

根据本发明的一个实施例，在所述第二电阻和所述热敏电阻的两端还并联有 滤波电容，用以对输入到所述控制模块的电压信号进行滤波处理。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块包括：

第一采样电路，用于对所述第一电阻两端的电压进行采样；

第二采样电路，用于对所述第二电阻、所述热敏电阻和所述滤波电容并联部分两端的电压进行采样；

阻值计算电路，基于所述第一采样电路和所述第二采样电路输出的电压信号计算所述热敏电阻和所述第二电阻的并联阻值与所述第一电阻的阻值比例，并基于所述第一电阻和所述第二电阻的阻值计算所述热敏电阻的阻值。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块还包括与所述阻值计算电路连接的判断电路，其基于所述阻值计算电路输出的阻值区分热敏电阻的种类并检测电路是否短路。

根据本发明的一个实施例，所述判断电路基于所述第二电阻、所述热敏电阻和所述滤波电容并联部分两端的阻值范围来区分所述热敏电阻的种类，其中，

当所述阻值计算电路计算的阻值小于时，所述热敏电阻为PT100电阻；

当所述阻值计算电路计算的阻值大于时，所述热敏电阻为NTC热敏电阻，

其中，b₁为PT100电阻在一温度变化范围内的阻值范围中的最大值，a₂为NTC热敏电阻在同一温度变化范围内的阻值范围中的最小值，a₂＞b₁，R₂为第二电阻的阻值。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块还包括与所述判断电路连接的第一阻值-温度转换模块，用于对所述PT100电阻通过转换式进行阻值和温度转换，所述转换式为：

其中，R_PT100为PT100电阻的阻值，T为待检测温度。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块还包括与所述判断电路连接的第二阻值-温度转换模块，用于对所述NTC热敏电阻通过查表方式进行阻值和温度转换。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于以上任一项所述温度检测装置的温度检测方法，包括：

获取第一电阻和第二电阻的阻值；

读取第一电阻两端的电压信号和第二电阻及热敏电阻并联两端的电压信号；

基于第一电阻两端的电压信号、第二电阻及热敏电阻并联两端的电压信号、第一电阻和第二电阻的阻值计算热敏电阻的阻值；

基于计算得到的热敏电阻的阻值获取待检测温度。

根据本发明的一个实施例，基于计算得到的热敏电阻的阻值获取待检测温度的步骤进一步包括：

判断热敏电阻类型，当计算的阻值小于时，所述热敏电阻为PT100电阻，当计算的阻值大于时，所述热敏电阻为NTC热敏电阻，其中，b₁为PT100电阻在一温度变化范围内的阻值范围中的最大值，a₂为NTC热敏电阻在同一温度变化范围内的阻值范围中的最小值，a₂＞b₁，R₂为第二电阻的阻值；

当所述热敏电阻为PT100电阻时，通过转换式将阻值转换为温度，所述转换式为：

其中，R₂为PT100电阻的阻值，T为温度；

当所述热敏电阻为NTC热敏电阻时，通过查表方式将阻值转换为温度。

本发明的有益效果：

本发明基于第一电阻和第二电阻所在电路的阻值的比值，并带入对应的电阻阻值可以计算出热敏电阻的阻值，进而计算得到待测温度，通过并联电阻，可以将温度传感器的阻值限制在控制模块的检测范围之内，可以兼容NTC热敏电阻和PT100电阻两种类型的温度传感器，简化了电路设计，节省了布板空间，处理软件也实现了兼容，同时具备短路检测的功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是现有技术中一种NTC热敏电阻采样电路拓扑图；

图2是现有技术中一种PT100电阻采样电路拓扑图；

图3是根据本发明的一个实施例的温度检测装置结构示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的温度检测装置的采用电路原理示意图；以及

图5是根据本发明的一个实施例的采用图3所示装置的温度检测方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

不同的电机可能选用不同种类的温度传感器，这种差异性会造成温度检测电路的种类增加，系统的状态增多，不利于对产品质量以及成本的控制。常用的两种温度传感器分别采用NTC热敏电阻和PT100电阻制成，这两种电阻制成的温度传感器具有不同的检测原理。

图1所示为常用的NTC热敏电阻采样电路拓扑图，NTC热敏电阻通过恒压源分压的方式进行采样。高精度的恒压源V_ref通过精密固定电阻R和NTC热敏电阻进行分压，分压后的电压值被送至MCU(微控制单元)的AD采样端口进行采样，然后通过MCU计算出对应的NTC热敏电阻的阻值，通过查NTC热敏电阻的R-T表，实现温度的检测。

图2所示为常用的PT100电阻采样电路拓扑图，恒定电流源通过PT100电阻产生电压信号送至MCU的AD采样端口进行采样，然后通过MCU计算出对应的PT100电阻的阻值R，在MCU中通过T＝(R-100)/0.385公式计算出对应的温度值。

对于NTC热敏电阻的采样电路，通常是将NTC热敏电阻在整个温度范围内分压电路的电压变化范围尽可能大，使MCU的模拟量AD采样端口满量程采样，以便提高温度检测电路的精度。NTC热敏电阻的电阻变化范围通常为几十千欧到几百欧，而PT100电阻的电阻变化范围为几十欧到几百欧，因此NTC热敏电阻的采样电路不能应用于PT100电阻的采样，因为AD采样端口检测到的电压变化 范围太小，设计不合理。例：某型号PT100电阻是100Ω～177Ω(对应0℃～200℃)的线性变化。NTC热敏电阻(R(25℃)＝30kΩ)是97.663kΩ～0.191kΩ(对应0℃～200℃)非线性变化。若采用5V的基准，参考电阻R为2kΩ，则0℃～200℃，NTC热敏电阻的采样电路采样电压范围为：0.1V～4.564V，MCU模拟量AD采样端口为满量程采样。PT100电阻的采样电路采样电压范围为：4.7619V～4.5935V，即整个温度范围内采样电压变化范围只有0.1684V，远远小于模拟量AD采样端口量程(5V)，设计不合理。

对于PT100电阻的采样电路，通常是将温度范围内的PT100电阻最大值乘以恒流源的值等于或略小于MCU模拟量采样端口采样最大值。因为NTC热敏电阻阻值范围远远大于PT100电阻，所以NTC热敏电阻无法使用恒流源的方式进行采样。

以上两种温度检测电路需要产生恒压源或者恒流源，恒压源或恒流源的精度越高，采样的温度就越准，同时电路的成本也就越高。对于不同种类的温度传感器，以上两种采样电路不具备通用性。两种电路的差异性将导致电路板种类的增加，不利于产品的统型和管理。

因此，本发明提供了一种温度检测电路，用以统一NTC热敏电阻和PT100电阻采样电路，并实现两种温度传感器的自动识别和检测。如图3所示为根据本发明的一个实施例的温度检测电路的原理图，以下参考图3来对本发明进行详细说明。

该温度检测装置包括第一电阻R1、第二电阻R2和控制模块，其中，第一电阻R1与基准电源Vref连接。第二电阻R2与第一电阻R1串联连接，并且还与一用于检测温度的热敏电阻R0并联。控制模块采集第二电阻R2和热敏电阻R0两端及第一电阻R1两端的电压信号，并基于采集电压信号计算热敏电阻的阻值，并基于计算得到的热敏电阻的阻值获取待检测温度。

在本发明中，将待测的热敏电阻R0与第二电阻R2并联，并联后的阻值会小于R2，从而限制了热敏电阻R0两端的电压。例如，当温度在0℃～200℃的变化范围时，PT100电阻的阻值范围100Ω～177Ω，并联以合适阻值的R3后，并联后的电阻值变化并不大。NTC热敏电阻的阻值范围为97.663kΩ～0.191kΩ，则在NTC热敏电阻的两端并联一个第二电阻R2，就可以将NTC热敏电阻两端的电压限制在R2，通过调节第二电阻R2的取值，可以使其两端电压范围向PT100电阻 的阻值范围接近。这样，通过匹配第二电阻R2的取值，该温度检测装置就可以测量阻值范围不同并且阻值范围差别较大的PT100电阻和NTC热敏电阻，从而统一两种热敏电阻的采样电路，节约制作成本，从而有利于电路板的布局，提高了电路的可靠性。

在本发明的一个实施例中，在第二电阻R2和热敏电阻R0的两端还并联有耦合电容C3，用以对输入到控制模块的电压信号进行滤波处理。

在本发明的一个实施例中，控制模块包括第一采样电路、第二采样电路和阻值计算电路。其中，第一采样电路用于对第一电阻R1两端的电压进行采样；第二采样电路用于对第二电阻R2、热敏电阻R0和滤波电容C3并联部分两端的电压进行采样；阻值计算电路，基于第一采样电路和第二采样电路输出的电压信号计算热敏电阻和第二电阻的并联阻值与第一电阻的阻值比例，并基于第一电阻和第二电阻的阻值计算热敏电阻的阻值。

具体的，第一采样电路与第一电阻R1并联，采集得到R1两端的电压为U1。第二采样电路与第二电阻R2、热敏电阻R0和滤波电容C3并联，采集得到并联两端的电压为U2。基于U1/R1＝U2/(R0//R2)，由于U1、U2可以通过采样精确计算得到，R2可以在没有接R0时通过电路精确的采样出来或直接通过精密万用表测量出来，R1也可以通过精密万用表测量出来，所以温度传感器的值R0可以计算出来。

在本发明的一个实施例中，控制模块还包括与阻值计算电路连接的判断电路，其基于阻值计算电路输出的阻值区分热敏电阻的种类并检测电路是否短路。具体的，判断电路基于第二电阻R2、热敏电阻R0和滤波电容C并联部分两端的阻值范围来区分热敏电阻R0的种类。设定(a₁,b₁)为PT100电阻的阻值范围，b₁为PT100电阻在一温度变化范围内的阻值范围中的最大值,，(a₂,b₂)为NTC热敏电阻的阻值范围，a₂为NTC热敏电阻在同一温度变化范围内的阻值范围中的最小值，并且a₂＞b₁，说明两种电阻的阻值范围在设定的温度范围内无重叠区域。

由于a₂＞b₁，a₂//R2的值大于b₂//R2，则在PT100电阻的阻值范围内的任一阻值与R2的并联值小于等于b₂//R2值，NTC热敏电阻的阻值范围内的任一阻值与R2的并联值大于等于a₂//R2值。由以上分析可知，当阻值计算电路计算的阻值小于时，该热敏电阻为PT100电阻；当阻值计算电路计算的阻值大于时，该热敏电阻为NTC热敏电阻。

由以上分析可知，只要热敏电阻在一定温度范围内的阻值包括不重叠区域，就可以将不同种类的热敏电阻区分出。

另外，当阻值计算电路计算得到的第二电阻R2、热敏电阻R0和滤波电容C并联部分两端的阻值接近0时，就可以判定该检测电路出现了短路。

由于PT100电阻和NTC热敏电阻采用不同的方法进行阻值和温度转换，所以在本发明的一个实施例中，该控制模块还包括与判断电路连接的第一阻值-温度转换模块，用于对PT100电阻通过转换式进行阻值和温度转换，该转换式为：

其中，R_PT100为PT100电阻的阻值，T为待检测温度。

该控制模块还包括与判断电路连接的第二阻值-温度转换模块，用于对NTC热敏电阻通过查表方式进行阻值和温度转换。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种采用以上的温度检测装置的温度检测方法，如图4所示，该方法包括以下的几个步骤。

首先在步骤S110中，获取第一电阻R1和第二电阻R2的阻值。接着在步骤S120中，将基准电源引入该装置，读取第一电阻R1两端的电压信号和第二电阻R2及热敏电阻R0并联两端的电压信号。然后在步骤S130中，基于第一电阻R1两端的电压信号、第二电阻R2及热敏电阻R0并联两端的电压信号、第一电阻R1和第二电阻R2的阻值计算热敏电阻的阻值。最后在步骤S140中，基于计算得到的热敏电阻的阻值获取待检测温度。

在本发明的一个实施例中，基于计算得到的热敏电阻的阻值获取待检测温度的步骤进一步包括判断热敏电阻类型和基于不同热敏电阻类型通过不同方式获取待测温度的步骤。

在判断热敏电阻类型步骤中，当计算的阻值小于时，热敏电阻R0为PT100电阻，当计算的阻值大于时，热敏电阻R0为NTC热敏电阻，其中，(a₁,b₁)为PT100电阻在一温度变化范围内的阻值范围，b₁为PT100电阻在一温度变化范围内的阻值范围中的最大值，(a₂,b₂)为NTC热敏电阻在同一温度变化范围内的阻值范围，a₂为NTC热敏电阻在同一温度变化范围内的阻值范围中的最小值，a₂＞b₁，R₂为第二电阻的阻值；当热敏电阻为PT100电阻时，通过转换式(1)将阻值转换为温度。当热敏电阻为NTC热敏电阻时，通过查表方式将阻值转换 为温度。

如图5所示为根据本发明的一个实施例的采用MAX31865芯片作为采样电路的电路原理图。MAX31865芯片本身可以对PT100电阻或PT1000电阻进行采样，通过选择外围电阻R1的阻值来调整其检测范围。电阻R1需要大于检测端口之间的R0与R2的并联值。在本发明中以某型号PT100电阻是100Ω～177Ω(对应0℃～200℃)的线性变化。NTC热敏电阻(R(25℃)＝30kΩ)是97.663kΩ～0.191kΩ(对应0℃～200℃)非线性变化，与R3并联的电阻值范围为95Ω～1919.7Ω(0℃～200℃)，因此R2的值选定为3kΩ，0.1W，精度为0.1％，10ppm。MAX31865芯片的测试精度为0.5℃，通过测试，其电阻的检测精度高于0.1％。根据工程应用增加电容C3，对输入信号进行适当的滤波。

该MAX31865芯片采用3.3V直流电源供电，电源端口各增加一个0.1uF电容作为去耦用途，芯片通过串行通信接口与控制芯片进行数据交换，/DRDY为数据转换状态信号，即MAX31865芯片温度采集及转换是否完成的状态信号。R2选用2kΩ，0.1W，精度均为0.1％，10ppm的电阻。以下分别对PT100电阻及NTC热敏电阻进行检测时的误差分析。基于不同电压基准的采样电路，可以灵活选择第一电阻R1和第二电阻R2的取值。

以MAX31865芯片为采样电路时，首先，断开R0，通过精密万用表检测R2的电阻值并固化到控制模块的数据处理程序中，以便于后续的电路计算。精密万用表为6位半的精度，测量2kΩ的电阻，即精确到0.01Ω，换算为PT100电阻对应的温度即为0.03℃，可以忽略，即认为R2的电阻值是精确的。

PT100阻值是100Ω～177Ω(对应0℃～200℃)的线性变化。通过与R2并联后的电阻范围为：检测电路精度为0.1％，即误差约等于0.177Ω，加上R2的误差，总误差小于0.2Ω，即0.52℃。考虑电阻及芯片极低的温漂，PT100电阻的采样精度可以满足±1℃以内。满足工程应用要求。

NTC热敏电阻的阻值是97.663kΩ～0.191kΩ(对应0℃～200℃)非线性变化。通过与R3并联后的电阻范围为：检测电路精度为0.1％，即小于2Ω，加上R2的误差，总误差也小于2Ω。为了便于说明，取R2＝2.002kΩ进行电路计算和分析：若温度每升高1℃，NTC热敏电阻与R2并联后的阻值之差大于2Ω，则可以认为电路的检测精度高于1℃，计算NTC热 敏电阻与R2在不同温度情况下的并联值如下表1所示。

电阻差公式为：ΔR＝R_t-5-R_t，R_t为NTC热敏电阻在温度t时与R2并联电阻值。为便于说明，可近似将NTC热敏电阻在5℃区间内的温度变化看成线性变化，则若温度每升高5℃，NTC热敏电阻与R2并联后的阻值之差大于10Ω，则认为电路的检测精度大于1℃同样成立，除了温度从0℃到5℃时阻值的变化小于10Ω，即误差大于1℃，小于2℃，其他温度下NTC检测的温度每增加5℃，阻值变化均大于10Ω，由此可知，在0℃～200℃的范围内，本发明电路的检测精度是高于±2℃的，完全满足工程应用需求。

表1

对MAX31865芯片初始化设置，基于热敏电阻R0种类设置保护限值，工作方式等。通过MAX31865芯片读取R2与R0(PT100电阻或NTC热敏电阻)的并联值R4，若R4小于162Ω，可以判定所检测的温度传感器为PT100电阻，通过控制模块计算出R0的电阻值，再经过计算式(1)计算出对应的温度值；若R4大于174Ω，可以判定所检测的温度传感器为NTC热敏电阻，计算出R0的电阻值，再经过查NTC热敏电阻的R-T表，读取对应的温度值。考虑控制模块及其他线路阻值的影响，若R4约等于0±10Ω，则可以判定检测电路短路。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。