NTC温度转换的无损压缩解压缩算法-文章-软件开发-程序设计

NTC温度转换的无损压缩解压缩算法

时间:01-14 13:47 阅读:1943次

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简介：提出一种NTC（负温度系数热敏电阻）温度转换的无损压缩解压缩算法，主要用于在使用单片机进行温度转换时，将调用的表格数据进行压缩,解决了单片机A/D转换时存在的表格数据量大、占用存储空间大的问题。

引言

现代家电（如冰箱、空调等），功能越来越多，技术含量越来越高，这些家电大多使用单片机进行控制。近几年来单片机得到了飞速的发展，从8位机发展到目前的32位机，存储器从OTP发展到现在的FLASH，内部资源也越来越丰富。但是家电产品追求利润，单片机在选型时，往往选择能满足要求的最低配置，在复杂的设计中，常常会遇到内部FLASH空间不够的问题。为此，本文针对家电产品常用的温度测量，提出了一种查表数据压缩算法，有效降低了FLASH空间占用。

1 NTC负温度系数热敏电阻选型

1.1 NTC负温度系数热敏电阻

NTC（Negative Temperature Coefficient，负温度系数热敏电阻）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料[1]。NTC当作温度传感器，在家电、汽车电子、医疗仪器、手机电池及充电电器等方面应用广泛。在比较高档的冰箱上，会用到6～10只NTC，各NTC的温度转换是程序设计的重要部分。

1.2 NTC电阻值和温度变化的关系

在实际产品设计应用中发现，NTC电阻值和温度变换是成非线性关系的[2]。二者关系如下所示：

RT=RN×exp[B(1/T-1/TN)]（1）

其中，RT是在温度为T时的NTC热敏电阻值，RN是额定温度为TN时的NTC热敏电阻值，T为所测温度。因为材料常数B本身也是温度T的函数，所以式（1）是经验公式，只有在额定温度TN或额定电阻阻值RN的有效范围内才具有一定的精度，在全部范围内偏差可能超过10%。

1.3 NTC参数选择

在设计冰箱时，会根据具体的应用部位选择不同参数的NTC，并按照冰箱间室的不同特征温度选择NTC的额定温度。如冷藏室温度为1～8 ℃，特征温度为5 ℃，测量冷藏室温度的NTC选择R (5 ℃)=5K06，B（5/25 ℃)=3 839K；冷冻室的温度为－15～－25 ℃，特征温度为－18 ℃，测量冷冻室温度的NTC选择R(-18 ℃)=16K9，B（-18/25 ℃)=3 771 K；测量环境温度的NTC选择R(25 ℃)=5K0，B（5/25 ℃)=3 839K。

2 温度测量方法

2.1 单片机测量温度电路

以冷冻室温度测量电路为例，如图1所示，分压电阻R1＝10 kΩ，若ADC转换精度为8位，则NTC所测温度经ADC转换后的值为255×RT/(RT+10)。图2给出了1.3节中3种参数的NTC的温度电阻值A/D值的部分数据。

图1 冷冻室温度测量电路

图2 RT表及对应的A/D值

2.2 查表算法

在实际应用中，单片机性能和公式的偏差决定了不可能由式（1）直接推算出所测温度，简便可行的办法是查表。

以冷冻室温度传感器为例，温度测量范围为－40～40 ℃，共81个温度值，对应的A/D值为220～25，共196个。每个温度值对应1～4个A/D值，每个A/D值对应一个温度值。为了处理简便，将温度范围调整为0～80 ℃,可得到以下数组temp_f1：

unsigned char consttemp_f1[196]={

0,0,//-40℃,A/D值220，219

1,1,//-39℃,A/D值218，217

2,2,3,3,4,4,4,5,5,6,6,7,7,7,8,8,8,9,9,10,10,10,11,11,11,12,12,12,13,13,13,14,14,14,15,15,15,16,16,16,17,17,17,18,18,18,19,19,19,20,20,20,21,21,21,21,22,22,22,

23,23,23,23,24,24,24,25,25,25,26,26,26,26,27,27,27,28,28,28,29,29,29,30,30,30,

31,31,31,31,32,32,32,33,33,33,34,34,34,34,35,35,35,36,36,36,37,37,37,38,38,38,38,

39,39,39,40,40,40,41,41,41,42,42,42,43,43,44,44,44,45,45,45,46,46,46,47,47,

48,48,48,49,49,49,50,50,51,51,52,52,52,53,53,54,54,55,55,56,56,57,57,58,58,59,59,60,60,61,61,62,63,63,64,65,65,66,67,67,68,69,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,

79,//39,26

80,//40,25

};

由此可得到NTC所测温度：

T=temp_f1[AD-220]（2）

其中AD值是A/D转换后的值。

这是最普通直接的算法，但在单片机应用领域，存在表格数据所占空间太大的问题。在冰箱中，有多种参数的NTC，表格数据所占空间在0.5 KB以上，对单片机的选型和成本影响很大。必须采用某种形式的压缩算法，并且是无损的压缩方式,这在单片机内存空间紧张时非常有用。

2.3 无损压缩查表算法

鉴于查表法产生的表格数据占据存储空间量大的问题，本文提出了一种实用的无损压缩查表算法。用1个字节表示2个温度值，如：－40 ℃,对应的A/D值有2个，－39 ℃,对应的A/D值有2个，可以用十六进制数据0x22表示－40 ℃和－39 ℃对应的A/D值。得到数组temp_f2，数组temp_f2比数组temp_f1所占空间减少了79％，但包含的信息是相同的。

unsigned char const temp_f2[41]={

0x22,0x22,0x23,0x32,0x23,0x33,0x33,0x33,0x33,0x33,0x43,0x43,0x33,0x34,0x34,0x43,0x33,0x34,0x33,0x34,0x33,0x23,0x33,0x23,0x33,0x22,0x23,0x22,0x22,0x22,0x22,0x21,

0x21,0x21,0x21,0x11,0x11,0x11,0x11,0x11,0x11

};

当然，还可以进一步压缩，从图2中可以看出，每个温度对应的A/D值不超过4个，因此可以用1个字节的2位表示1个温度值，那么1个字节就表示4个温度值。以上数组可压缩成21个字节，节省空间89.2％，这种压缩方法在解压缩时，耗费的程序空间要大一些。图3为将数组temp_f2压缩/解压缩的流程图。