基于低功耗单片机的温压测量系统及其自动校准方法

本发明涉及温压测量校准，尤其涉及一种基于低功耗单片机的温压测量系统及其自动校准方法。

背景技术：

1、现有的温度测量中，ntc热敏电阻作为温度传感器来实现温度测量较为常见，但ntc热敏电阻测温的最大缺点在于其电阻阻值与温度存在极强的非线性特性，如不进行合适的非线性补偿，测温精度往往不高，在高精度测温领域应用较少。铂热电阻温度传感器测量精度高，性能稳定，常用的有pt100温度传感器和pt1000温度传感器，当pt100、pt1000在0摄氏度的时候其阻值分别为100ω、1000ω，且其阻值会随着温度上升而成近似匀速增长，在工业应用中得到广泛应用。

2、近年来微电子、自动检测技术不断发展，新型智能设备广泛应用，温度和压力的采集和控制都十分频繁和重要，在一些高精度的测温测压场合，由于测温测压电路设计本身以及电子元器件本身的损耗，若不对其进行校准，仍然采用标准的温度传感器或压力传感器测得的值来判断对应的温度或压力，会出现较大的测量误差，因此在自动检测技术领域，高精度温度压力自动校准方法格外重要。

3、在温度校准系统中，申请号为2017106217472的专利公开了一种温度转换方法，首先对pt100温度传感器进行预处理，计算得到当前测量环境下最为适当的线性回归方程，确定可用的回归常数和回归系数，对p100温度传感器检测得到的测量温度数值进行处理，得到精确运算的自变量值，自变量值经过运算可得到实际温度值，但是该方法只能解决一定的待测区间内温度传感器温度转换误差较大的问题，适用范围有限。申请号为2020115707097的专利公开了一种pt100温度校准与测量方法，首先对数据进行预处理，将所测得的电阻值与分度表中的电阻值取差值，得到静态校准值，分段对静态校准值取差值后与温度差值做商处理，得到动态校准系数，最后确定一个动态校准公式，但是该校准方法精度较低，无法满足高精度的需求。

4、现有技术中还有通过直流电阻箱代替恒温水槽，对温度传感器进行校准，申请号为2013101271805的专利公开了一种pt1000温度传感器的标定方法，首先用直流电阻箱输入三个不同的阻值进行标定，将标定的数据代入公式t＝a+bx+cx2，求出系数并存入单片机中，最后用温度传感器代替电阻箱接入电路，进行验证，但是该方法实用性和可操作性差。

5、在高实时性温压校准系统中，申请号为2018113735432的专利公开了分布式多节点液体温度、压力传感器测量数据的校准方法，通过获取分布在管道内各个节点的温度、压力传感器的数据，对其进行有效性判断，对无效数据进行补偿和平滑处理，得到校准后的数据，从而提高管道内温度、压力传感器监测数据的整体精度，但是该方法计算量较大且响应速度较慢。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于低功耗单片机的温压测量系统和自动校准方法，使用设计的温压测量系统和温压自动校准流程，配合人机交互界面，实现温压校准系数的自动计算和自动存储，以及温度和压力的实时高精度测量。

2、根据本发明提出的一种基于低功耗单片机的温压测量系统，包括温度传感器、压力传感器、温度检测电路、压力检测电路、单片机和人机交互界面；

3、所述温度检测电路用于将所述温度传感器输出的电阻值转化为所述单片机能识别的电压值，并通过匹配放大滤波电路提高测量的分辨率；

4、所述压力检测电路用于将所述压力传感器输出的电压值通过放大滤波提高分辨率后提供给所述单片机采集；

5、所述单片机作为主控单元，用来处理所述温度检测电路和所述压力检测电路输出的电压值，将输出的电压值转化为最终的被测电阻值和被测电压值；

6、所述人机交互界面用于配合温度校准模式和压力校准模式，同时显示单片机运算得出的温度值、压力值或电阻值；

7、所述温度传感器的信号输出端与所述温度检测电路的信号输入端连接，所述压力传感器的信号输出端与所述压力检测电路的信号输入端连接；

8、所述温度检测电路的信号输出端和所述压力检测电路的信号输出端分别与所述单片机的adc端口连接，所述单片机的gpio端口与所述人机交互界面的液晶和按键端口连接。

9、优选地，在温度校准模式环节中，不同温度下对应的温度传感器输出阻值采用千分之一的高精度可调电阻箱来模拟输出；

10、在压力校准模式环节中，不同压力采用0.02级cv-t型活塞式压力机提供。

11、优选地，基于低功耗单片机的温压测量系统的自动校准方法，所述方法步骤如下：

12、s1：将电阻箱和温度检测电路连接，将压力传感器安装在活塞式压力机上，压力传感器和压力检测电路连接；

13、s2：在温度校准模式下，通过所述人机交互界面设置多组不同温度下温度传感器对应的标准电阻值作为电阻标定点，用可调电阻箱模拟每个电阻标定点的阻值，所述温度检测电路将检测到的实际电阻值转换成对应电压值，所述单片机的adc采集电阻标定点对应的电压值；

14、在压力校准模式下，通过所述人机交互界面设置多组不同压力下对应的标准压力值作为压力标定点，采用压力机为压力传感器提供每个压力标定点对应的压力，所述压力检测电路检测并转换压力传感器输出的实际电压值，所述单片机的adc采集压力标定点对应的电压值；

15、所述单片机对温度检测电路和压力检测电路输出的电压信号进行连续交替采样；

16、s3：对采集的电压数据进行两级滑动平均滤波预处理，对于温度测量和校准，根据温度检测电路的电压-电阻对应关系将预处理后的电压值转换成测量电阻值；对于压力测量和校准，预处理后得到与压力给定点相关的电压测量值；

17、s4：应用步骤s3中的测量电阻值，根据多组电阻标定点以及相对应的多组测量电阻值，基于最小二乘法，确定电阻标定点的标准电阻值与测量电阻值(即电阻-电阻)校准方程的校准系数并保存；

18、根据多组压力标定点以及相对应的步骤s3中的电压测量值，基于最小二乘法，确定压力标定点的标准压力值与电压测量值(即压力-电压)校准方程的校准系数并保存；

19、s5：通过电阻-电阻校准方程对温度测量系统计算的实际测量电阻值进行修正，并根据温度传感器对应的电阻-温度转换关系，由修正电阻值计算被测温度的实际测量值；

20、通过压力-电压校准方程对压力测量系统计算的实际电压测量值进行修正，得到被测压力的实际测量值。

21、优选地，步骤s2中温度校准模式下，电阻标定点采用正反两轮标定模式去差异化，整个流程需要人机交互界面配合进行。温度校准的具体流程如下：通过人机交互界面选择进入温度校准模式，液晶提示开始进行第一轮电阻标定；第一轮为标定点阻值由小到大的正向标定，液晶依次提示待接入的标定电阻值；第一轮结束后，进入第二轮标定点阻值由大到小的反向标定；每个待标定电阻接入后，单片机实时处理并保存测量电阻值，液晶实时显示当前的标定电阻值和测量电阻值；

22、步骤s2中温度校准模式下，每个电阻标定点结合人机交互界面的详细校准流程如下：首先，液晶显示当前标定点的标准电阻值，提示并等待接入相应的标准电阻值，用户根据提示调节电阻箱，接入对应的高精度标准电阻值；单片机实时处理温度检测电路输出的数据，计算对应的测量电阻值，并通过液晶实时显示当前的测量电阻值；等待显示的测量电阻值稳定，用户按下确定按键；等待系统自动采集12s的温度检测电路的输出数据，单片机基于该段数据计算当前标定点的实际测量电阻值并保存；当前标定点的测量电阻值保存完成后液晶自动跳转，进入温度校准模式的下一步流程。

23、步骤s2中压力校准模式下，压力标定点采用正向标定模式，与温度正向标定流程一致，液晶依次提示待接入的标定压力值，每个待标定压力接入后，单片机实时处理并保存测量电压值，液晶实时显示当前的标定压力值和测量电压值。

24、步骤s2中压力校准模式下，每个压力标定点结合人机交互界面的详细校准流程如下：首先，液晶显示当前标定点的标准压力值，提示并等待给定相应的标准压力值，用户根据提示调整压力机的砝码，给定对应的高精度标准压力值；单片机实时处理压力检测电路输出的数据，计算对应的测量电压值，并通过液晶实时显示当前的测量压力值；等待显示的测量压力值稳定，用户按下确定按键；等待系统自动采集12s的压力检测电路的输出数据，单片机基于该段数据计算当前标定点的实际测量电压值并保存；当前标定点的测量电压值保存完成后液晶自动跳转，进入压力校准模式的下一步流程。

25、在进行温度校准时，通过正反两轮标定的方式从而有效消除因差异引起的不确定性。由于压力传感器的正反行程差异较小，因此，采用一轮正行程标定模式进行压力校准。通过进行标定，提升测量的精确度和测量结果的可靠性。

26、优选地，步骤s3对采集的电压数据进行两级滑动平均滤波预处理的方法步骤如下：

27、对采集的多个数据采用滑动存入的方式存入长度为50的一级数组中，所述滑动存入的方式为新采集数据以依次循环覆盖原采集数据的方式存入一级数组，数据存入的同时自动定位数组中的10个最大值和10个最小值；数据存入一级数组后，去掉一级数组中的10个最大值和10个最小值，并将剩余的数据进行平均，完成第一级滑动平均滤波，得到每组数组的平均值，再将一级滑动平均值滑动存入长度为30的二级数组中，并计算二级数组的平均值，完成第二级滑动平均滤波，得到的两级滑动平均值作为预处理的测量结果。

28、采用两级滑动平均滤波对adc采集的数据进行处理，在保证实时性的同时提高了测量的平稳性。

29、优选地，步骤s4中预处理后的多组测量数据再通过最小二乘法计算校正系数的处理方式如下：

30、在温度校准模式下，设置多组标准电阻值作为电阻标定点，各标定点两次测量电阻值的平均值为xt(t＝1,2,...,n)，标准电阻值为yt(t＝1,2,...,n)，则电阻-电阻最佳拟合方程为yt＝tkxt+tb，采用最小二乘法对其拟合误差平方和求偏导，并令偏导方程等于0，联合变换求得校准系数tk和tb的估计公式为

31、

32、同理可得，若压力传感器的测量电压值为xp(p＝1,2,...,n)，标准压力值为yp(p＝1,2,...,n)，则压力-电压最佳拟合方程为yp＝pkxp+pb，采用最小二乘法对其拟合误差平方和求偏导，并令偏导方程等于0，联合变换求得校准系数pk和pb的估计公式为

33、

34、采用最小二乘法自动拟合得到校准系数，并在单片机中自动保存，实时测量过程中，使用校准系数对测量值进行自动修正，修正后的测量结果精度高，满量程误差在千分之五之内。

35、本发明中的有益效果是：提供的基于低功耗单片机的温压自动校准方法和高精度测量系统，是一种可满足更多应用场景需求的，可兼容多种传感器类型的自动检测校准方法和系统，在硬件方面，选择低功耗msp430单片机作为主控芯片，系统功耗低；其温度检测部分兼容pt100温度传感器和pt1000温度传感器，压力检测部分所选用的mpm288压力传感器可兼容0-4mpa、0-2.5mpa和0-1.6mpa的量程，方法和系统的兼容性好；人机交互界面搭载了液晶和按键，操作简单且自动化控制技术高，灵活方便。在数据预处理方面，采用两级滑动平均滤波对adc采集的数据进行处理，在保证实时性的同时提高了测量的平稳性。在温压自动校准部分，结合灵活的人机交互界面，对预处理好的数据进行校准，采用最小二乘法自动拟合得到校准系数，并在单片机中自动保存；实时测量过程中，使用校准系数对测量值进行自动修正，修正后的测量结果精度高，满量程误差在千分之五之内。