温灸仪控温一致性设计分析报告

－－低成本实现免调整的测温设计方案－－

在为**公司设计温灸仪的过程中，曾遇到因器件参数差异、温度测量不一致问题，如果在电路中加入调节元件：如电位器或微调电容，就增加了产品成本与生产调试难度，为了从产品设计开发源头解决产品生产及成本问题，增加产品的市场竞争力及存续寿命，通过对误差产生的原因分析，并借鉴了其它相关测温设计资料，找到了一个简单而经济的设计方案，完滿地给公司解决了技术难题。

**公司所要求的温炙仪功能为：

1．            四个按键分别实现：ON/OFF、INC、DEC、TIME。

2．            热敷包温度可调（37—46℃）.

3．            定时关机功能，15min、20min、30min可选。

4．            LCD显示定时时间和热敷包设定温度。

5．            温度失控时保护功能。

针对上述要求专案工程师设计方案为：

为控制成本，实现大批量生产，MCU采用台湾义隆的成熟产品EM78P153S，外挂LCD_Drive采用台湾盛群公司的成熟产品HT1621 。

发热片采用东莞龙基电子有限公司生产的聚脂发热片；热保护器采用常州新区德胜电器有限公司生产的BR-A1D-060；

测量元件NTC采用深圳市敏星传感技术有限公司生产的MTE1-343□103□树脂封装热敏电阻，B25/85=3435K，R25=10KΩ，精度±1%，经测试鉴定完全符合全球知名品牌日本芝蒲公司的曲线表；控制部分采用场效应管IRF7809AV。

测量电路如图二；

控制部分如图三；

本方案中测量部分用P61口输出高电平通过NTC对C4进行充电，用P62口检测是否充满，MCU计时充电时间。充满后，C4通过R6放电，然后再开始下一次充放电，软件通过充电时间查表来得出NTC感测到的温度值，然后与使用者设定的温度值进行比较，决定加热元件是否启动。

然而，此方案实施后，发现热敷包的温度与设定温度相差甚远，几经修改软件都没有明显改善。此时，这一方案陷入了困境中。经过仔细观察，发现用仿真器仿真时，热敷包的温度与设定温度相差无几，但将程序烧入IC，装入样机后，实际效果就相差甚远。

根据专案工程师提供的这一现象，进行了讨论分析，原因很快就找到了。

第一、该方案使用了EM78P153S的内部RC振荡提供时钟，而EM78P153S的内部IC振荡频率存在较大的偏率（最大可选±18％），而该方案MCU用此时钟计数充电时间，测温的不一致性由此而生；

第二、该方案使用NTC对电容充电，而较大的电容误差，也加剧了测温的不一致性误差范围；

第三、MCU的输出电压值，门嵌电压值的差异也会引起测量误差。

让我们再来理一下这个问题的本质吧。EM78P153S内部RC振荡频率由于晶片成型时电阻、电容的误差，不可避免地产生不一致性，MCU门嵌电压、输出电压、电容C4的情况也是一样，这两项都是属于器件参数的个体离散性问题，解决电路中器件离散性引起的测量问题，一般可采用加入微调器件的方法来予以校正，于是这里可以在回路中加入可调电阻或微调电容来给以校正，而且也正好可以利用本产品自带的LCD显示，作为较正的指示器，通过软件加入调校的程序，将调校的结果在LCD上给予指示；看上去确是一个好办法。

但这一次一定不能如此草率，最少应该总结第一次方案设计草率的教训，一定要详细分析，多方面考虑周到，这个方案还是否存在别的问题？有没有比这更好的方案？

即然没有太早地高兴，果然就又收获了新的问题点；

①                     该方案不仅增加了硬件成本，而且也增加了大批量生产的难度，这对产品的市场竞争力和产品存续寿命极为不利。

②                     该方案校正了器件参数的个体离散性问题，但没有考虑器件参数的温度漂移问题，当产品在不同地域使用时，将因为环境温度、温度的差异，发生新的测温不一致问题。

技术难题就此而生！

有俗话明示：找准了问题的根源，就等于解决了问题的一半。

那么，在这里再一次来理一理这些问题的本质吧。

首先，EM78P153S内部RC振荡、输出电门嵌电压、电容C4精度，都不可避免

地产生器件参数的个体离散性，这些离散性就导致了“使用方案”测温不一致性。

其次，上述器件参数的温飘问题，也同样会导致“使用方案”的测温不一致

性。

总之，就是“使用方案”做出来的产品，存在不一致性，这个不一致性表现

在两个方面：①各产品之间不一致；②同一产品不同环境也不一致。

那么这两个方面的不一致是如何发生的呢？通过观察实际的开发调试的过

程，细心一些就发现了：这两个方面的不一致，都是因为这些产品及使用环境跟开发时用的仿真机相比较有不同而产生的。

有了这一重大发现——不一致性来自于个体与仿真机之间的比较差异，想必

读者就都心理有自己的想法了。——打破这里以仿真机为标准的比较方式，设计以个体内部比较为基础的测温方案，问题就自然迎刃而解！

如图四：

在图四中，增加了P60口的使用，在NTC对称位置，增加的R12是使用了北京时代嘉盈科技有限公司生产的RJ74系列的精密金属膜色环电阻，阻值5KΩ精度为±0.5﹪，温度系数为±50×10^-6 /℃；通过将R12充电时间作为基准，NTC的充电时间同它比较而计算出NTC的电阻值，从而查表得到被测温度，达到了低成本、免调查的测温方案，解决了产品间以及不同环境的不一致问题。

下面详细分析其工作过程及所用原理。

（1）.先将P60、P61、P62都设为低电平输出，使C4放电至放完。
（2）.将P60、P62设置为输入状态，P61设为高电平输出，通过R12电阻对C4充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测P62口状态，当P62口检测为高电平时，即C4上的电压达到单片机高电平输入的门嵌电压时，单片机计时器记录下从开始充电到P62口转变为高电平的时间T1。
（3）. 将P60、P61、P62都设为低电平输出，使C4放电至放完。
（4）.再将P61、P62设置为输入状态，P60设为高电平输出，通过RT1热敏电阻对C4充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测P62口状态，当P62口检测为高电平时，单片机计时器记录下从开始充电到P62口转变为高电平的时间T2。
（5）.从电容的电压公式：
可以得到：T1／R12＝T2／RT1，

即 RT1＝T2×R12／T1            （ 式1）

通过单片机计算得到热敏电阻RT1的阻值。并通过查表法可以得到温度值。

误差分析：从上面所述可以看出，该采样电路的误差来源于这几个方面：单片机的定时器精度，R12电阻的精度，热敏电阻RT1的精度，而与单片机的输出电压值、门嵌电压值、振荡频率、电容精度无关。

1．  由（ 式1）可知，该电路的误差与R12的精度成正比，与热敏电阻RT1的精度成正比。这里选用的R12阻值5KΩ精度为±0.5﹪，温度系数为±50×10^-6 /℃；选用的RT1的精度±1%；可以满足客户的要求；

2．              定时器的精度决定了充电时间计数的精度，间接影响的测量精度，通过提高振荡频率可减小这种原因引起的误差。

3．              电容C4的取值越大，充电时间就越长，有利于测量精度的提高，但过大时，又会使充放电时间过长，降低了采样频率。

因此，适当选取热敏电阻RT1和精密电阻R12的精度，单片机的工作频率够高，就可以得到较好的测温精度。

由此可见，由于测量结果与单片机的振荡频率没有直接关系，与C4的精度没有关系，因此，产品不需要做调整就可保证一致性。

[鸣谢]

 该分析报告写作过程中参考了网上相关资料，特别是作者wswhzo 的《简单的单片机测温设计》一文，在此特别感谢！

 附：               具体流程图如下图五