基于单片机温度误差补偿的设计方案

　　1 引言

　　对高精度传感器，温度误差已成为提高其性能的严重障碍，特别是在环境温度变化较大的应用场合更是如此。依靠传感器本身附加一些简单的硬件补偿措施是很困难的，目前对于一传感器测量系统已大量引入了单片机，实现自动检测和控制。因此用单片机自身的特点，利用软件来解决传感器温度误差难题是一条有效途径。

　　在一单片机传感器测量系统中，要解决传感器温度误差补偿问题，首先要测出传感器点的温度，该温度信号作为多路采样开关采集信号的一路送入单片机。测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方，用来测量传感器点的环境温度，测温元件的输出经放大及A/D转换送到单片机，单片机通过并行接口接收温度数据，并暂存温度数据。信号采样结束，单片机运行温度误差补偿程序，对传感器信号的温度误差进行补偿。对多个传感器，可用多个测温元件，常用的测温元件有半导体热敏电阻、AD950测温管、PN结二极管等。原理框图如图1。

　　2 建立温度误差的数学模型

　　温度变化给传感器实际测量带来误差，表现在传感器的输入输出特性曲线上产生非线性变化。为解决这样问题，必须使问题简单化，找出它们间的关系，建立对应的数学模型。传感器特性曲线y=f(x)，如图2所示。

　　我们可以把该曲线按一定要求分成若干段，在此设分成n段，然后把相邻两段点之间的曲线用直线近似，这样可以利用线性方法求出输入值x所对应的输出值，这就是线性插值法。设输入值在(xi, xi+1)之间，则其对应的输出值y可由下式求得：

　　从上式可知，只要n取得足够大就可获得良好的精度。

　　若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大，采用线性插值法，误差就很大，这时可采用二次曲线插值法，即通过曲线上3个点A(x0、y0)，B(x1、y1)，C(x2、y2)做一抛物线，用此曲线代替原来的曲线，如图3所示。曲线方程为一元二次方程，一般形式为：

　　y="K0"+K1x+K2x2

　　式中K0，K1，K2为待定系数，可用曲线y=f(x)的3个点A，B，C的二元一次方程组求解，这就需要解联立方程组，计算较复杂，列出的程序也较复杂，因此可以用另外一种型式：

　　由此可见，利用3个已知点A，B，C的数值求出系数m0，m1，m2后，存放在相应的内存单元，然后根据某点的x值代入式(1)即可求出被测值y。

　　以上是对传感器建立温度误差的数学模型，用此模型可实现传感器温度补偿。

　　3 实现温度误差补偿的方法

　　首先给定K个温度值(T0，T1，T2，…，TK-1)，测出每个温度点上传感器静态特性曲线在u　轴上的截距(u0，u1，…，uK)，每个温度点上传感器特性曲线的数据要精确，必要时应在恒温箱内进行，这需要较大的工作量，如图4所示。