NTC

Author：家有仙妻谢掌柜
Date：2021/1/19

一、背景

前一段疫情期间，就考虑到用NTC来做测温功能，写在这里记录自己的成长历程，也分享出去供大家参考！

NTC（Negative Temperature Coefficient）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。（与此相反的有PTC）

与温度相关的大部分开发均可使用NTC，现在市面上的电子体温计多数用到的就是NTC，额温枪内部热电堆传感器就包含了一个NTC来做采集环境温度的功能，市面上不少智能手环为了降低成本也采用NTC，更不必论温控加热水壶，环境温度检测仪等等。NTC在生活中的应用不胜枚举。那么我们这次就来使用NTC测温度，这里用了黑体恒温水槽来检验精度。实验表明精度可以达到±0.1℃以内。

二、实验原理

本次实验采用了国产的BLE芯片，具体型号这里不公布，看官佬爷只需关心实现原理即可，与实验相关的ADC是10bit精度，无论是使用哪一款MCU都可以参考本例程。

首先必须大胆的明白热敏电阻就是电阻。所以它符合电阻的物理特性。

这里P上接线图：

通过上图，我们可以知道电阻NTC所分得的电压Vntc即为：Vntc = Vcc * （ Rntc / (Rntc + Rm) )，于是有了Vntc去换算出ADCntc是轻而易举的。只是换算的时候需要关注MCU内部ADC的参考电压是多少？
因为我这里使用的是10bit的ADC，该ADC引脚内部参考电压为3.6V，因此ADCntc = （ Vntc / 3.6 ） * 1024。

①：Vntc = Vcc * （ Rntc / (Rntc + Rm) )
②：ADCntc = （ Vntc / 3.6 ） * 1024
这里需要知道的是：ADCntc是ADC引脚采集到的数值，Vcc和Rm是已知量，只有Rntc是未知量。
故由式①②求得Rntc，然后拿着Rntc去查表，查什么表呢？

三、表的制作

这里附上产品规格，这个RT表是开发NTC过程中一定要使用的，问厂家或者客服索要。不同NTC的数据是存在差异的。

通过表格可以知道我选用的NTC的规格：R（37℃）= 30Kohm，也就是讲当温度在37℃的时候，该热敏电阻NTC阻值在30K，故而分压电阻也选为30K，以提高精度。
需要仔细阅读表格发现其中的规律，这里的规律就是
1.温度范围为0 - 60℃；
2.温度从0到 60℃，总共有251个数据，按照次序编一个序号从0到250，该序号将会作为数组的下标；
3.温度范围在[32℃,42℃]内，序号每增加1，温度就增加0.05℃；
温度范围在[0℃，32℃]和[42℃，60℃]，序号每增加1，温度就增加1℃；

四、代码的实现

1.制作表格
我们要做的把上面的表格数据复制到编译器中，做成一维数组。

/*************************************************
NTC的R值数据表    
表的数值随序号的增加而减小   
*************************************************/
#define  NTCTABNum	251static float NTCTAB[NTCTABNum]={
163.3,155.2,147.5,140.3,133.4,127.0,120.9,115.1,109.6,104.4,99.48,94.83,90.42,86.24,82.28,
78.52,74.96,71.57,68.36,65.31,62.41,59.66,57.04,54.56,52.19,49.94,47.80,45.76,43.82,41.98,
40.22,38.54,36.94,36.86,36.79,36.71,36.63,36.56,36.48,36.40,36.32,36.25,36.17,36.10,36.02,
35.94,35.87,35.79,35.72,35.64,35.57,35.49,35.42,35.35,35.27,35.20,35.12,35.05,34.98,34.90,
34.83,34.76,34.69,34.61,34.54,34.47,34.40,34.32,34.25,34.18,34.11,34.04,33.97,33.90,33.83,
33.76,33.68,33.61,33.54,33.48,33.41,33.34,33.27,33.20,33.13,33.06,32.99,32.92,32.85,32.79,
32.72,32.65,32.58,32.51,32.45,32.38,32.31,32.25,32.18,32.11,32.05,31.98,31.91,31.85,31.78,
31.72,31.65,31.59,31.52,31.46,31.39,31.33,31.26,31.20,31.13,31.07,31.00,30.94,30.88,30.81,
30.75,30.69,30.62,30.56,30.50,30.43,30.37,30.31,30.25,30.19,30.12,30.06,30.00,29.94,29.88,
29.82,29.76,29.69,29.63,29.57,29.51,29.45,29.39,29.33,29.27,29.21,29.15,29.09,29.03,28.97,
28.91,28.86,28.80,28.74,28.68,28.62,28.56,28.50,28.45,28.39,28.33,28.27,28.22,28.16,28.10,
28.04,27.99,27.93,27.87,27.82,27.76,27.70,27.65,27.59,27.54,27.48,27.42,27.37,27.31,27.26,
27.20,27.15,27.09,27.04,26.98,26.93,26.87,26.82,26.77,26.71,26.66,26.60,26.55,26.50,26.44,
26.39,26.34,26.28,26.23,26.18,26.13,26.07,26.02,25.97,25.92,25.86,25.81,25.76,25.71,25.66,
25.61,25.55,25.50,25.45,25.40,25.35,25.30,25.25,25.20,25.15,25.10,25.05,25.00,24.95,24.90,
24.85,24.80,24.75,24.70,24.65,24.60,24.55,24.50,23.54,22.63,21.76,20.92,20.12,19.35,18.62,
17.92,17.25,16.61,15.99,15.40,14.84,14.30,13.78,13.28,12.80,12.34};
/*
接下来的处理就是围绕着计算出来的Rntc去查表格。
*/

2.写查表函数

/*================================================================================
*Function	Name 	:LookupTable
*Description  		:查表函数
*parameter			:1.*p 		：表头，即表的首地址
*					 2.tableNum ：表格的元素的个数
*					 3.data 	：该变量在这里传入的是当前温度下NTC的阻值
*Return				:当前NTC阻值对应在表中的位置
================================================================================*/
//这里提供两种较易理解的查表方法
#if  1 
//第一种方法
uint8_t LookupTable(float *p , uint8_t tableNum , float data)
{uint16_t 	begin  = 0;   uint16_t 	end    = 0; uint16_t 	middle = 0;  uint8_t 	i      = 0; end = tableNum-1; if(data >= p[begin])        	return begin;else if(data <= p[end])     	return end; while(begin < end)  {middle = (begin+end)/2; if(data == p[middle]) 							break; if(data <  p[middle] && data > p[middle+1]) 	break;   if(data >  p[middle])  	end   = middle ;                      else                  	begin = middle ;      if(i++ > tableNum) 								break; }if(begin > end)   				return 0;   return middle;
}#else 
//第二种方法
uint8_t LookupTable(float *p,uint8_t tableNum,float data)
{uint8_t	i,index	= 0;for(i=0;i<(tableNum-1);i++){if((data<p[i]) && (data>p[i+1]))index = i;	}return index;
}
#endif

3.获取AD值或R值

/*================================================================================
*Function	Name 	:GetADCAverage/GetRkohmAverage
*Description  		:获取多次采样的平均值
*parameter			:无
*Return				:平均的AD值
================================================================================*/
/* 这里附上伪代码，只走一个思路，每个parameter都有自己的想法
*  Get_Single_ADC_Value(); 是针对不同MCU的ADC单次采集接口函数
*/
float  GetADCAverage(void)
{
/*times是样本采样次数
* adc_average 是均值
*/for(t=0;t<times;t++){temp_val += Get_Single_ADC_Value();}		adc_average = temp_val/times;return adc_average;	
}
float  GetRkohmAverage(void)
{
/*
①：Vntc = Vcc * （ Rntc  / (Rntc + Rm) )
②：ADCntc = （ Vntc / 3.6 ） * 1024
由公式①②得出Rntc的表达式，
其中ADCntc = GetADCAverage();
可以求出Rntc，拿着这个值去查表即可！
*/
}

4.获取温度粗值

/*================================================================================
*Function Name 		:GetRoughTemperature
*Description  		:由序号转化得出温度粗值
*parameter			:serialNum	：表的序号值
*Return				:roughTemp	：温度粗值
================================================================================*/
float GetRoughTemperature(uint8_t serialNum)
{float  roughTemp = 0;if(serialNum <= 32)			roughTemp = serialNum;else if(serialNum >= 232)	roughTemp = serialNum - 190;else						roughTemp = 0.05 * (serialNum - 32) + 32;  /*   eg:132-32=100  100*0.05=5  5+32=37  */return roughTemp;
}
/*该函数是观察RT表的规律得出的*/

5.获取温度精值

/*================================================================================
*Function	Name 	:GetAccuraryTemperature
*Description  		:由温度粗值得到温度精值
*parameter			:readRKohm		：读取到的电阻值
*Return				:accuraryTemp	：温度精值
================================================================================*/
/*== 可以精确计算到±0.1℃ ，例如36.57℃ ==*/
float GetAccuraryTemperature(float readRKohm) 	   //这里的返回值数据是要拿出去显示出来的
{float  	t0   = 0;float  	temp = 0;		float  	accuraryTemp = 0;uint8_t serialNum    = 0;  //查表得到的 AD值 或 R值 所在的位置if((readRKohm <= NTCTAB[0]) && (readRKohm > NTCTAB[NTCTABNum-1])){serialNum = LookupTable(NTCTAB,NTCTABNum,readRKohm);t0 = GetRoughTemperature(serialNum);/*== 温度范围在32℃ -- 42℃ ==*/if((readRKohm <= NTCTAB[32]) && (readRKohm > NTCTAB[232]))temp = 0.05*(readRKohm-NTCTAB[serialNum])/(NTCTAB[serialNum+1]-NTCTAB[serialNum])+t0;/*== 温度范围在0℃ -- 32℃  以及  42℃ -- 60℃ ==*/	else	temp = 1*(readRKohm-NTCTAB[serialNum])/(NTCTAB[serialNum+1]-NTCTAB[serialNum])+t0;}accuraryTemp = temp;return accuraryTemp;
}
/****************************************************************
三个点,在坐标上的顺序依次为(X1,Y1),(X,Y),(X2,Y2)
已知(X1,Y1),(X2,Y2)，求(X,Y)
两点式：(X-X1)/(Y-Y1) = (X2-X1)/(Y2-Y1)       
则：X = [(X2-X1)/(Y2-Y1 )]* (Y-Y1) + X1
由于已知(X1,Y1),(X2,Y2)为相邻两温度点  X2-X1 = 0.05
故：X = [0.05/(Y2-Y1 )]* (Y-Y1) + X1
或者X = 0.05 * (Y-Y1) / (Y2-Y1 ) + X1
其中X对应温度值 Y对应R值    这样可以把精度从RT表上的0.05提高到0.01
下图中的(Xi,Yi)就是这里描述的(X,Y);
****************************************************************/

6.温度数值送显

/*================================================================================
*Function	Name 	:GetDisplayTempValue
*Description  		:送显的温度数值
*parameter			:accuraryTemp ：读取到的温度精值
*Return				:temp		  ：温度精值*100
================================================================================*/
uint32_t GetDisplayTempValue(float accuraryTemp)
{uint32_t temp = 0;temp = GetAccuraryTemperature(accuraryTemp)*100;return temp;
}
/****************************************************************
作用：我这里是拿着数据显示到OLED屏幕上的，设计上是要显示到小数点后两位的，
eg：36.57℃，   例如：exempli gratia → eg
而采集到的也是小数点后两位，为了方便处理显示函数这里将温度值乘以100，
拿着3657去取整取余分别将每一位显示出来，温度值在上一个函数(第5步)已经实现，这里只是为了送显； 
输入参数：float readRKohm这个参变量将代表  GetADCAverage(); 或者 GetRkohmAverage();
****************************************************************/

创建变量TempValue作为求得的目标温度值
TempValue= GetDisplayTempValue(GetAccuraryTemperature(GetRkohmAverage()));
这里调用的是GetRkohmAverage();故而查表的表格是NTC的RT表格;
或者
TempValue = GetDisplayTempValue(GetAccuraryTemperature(GetADCAverage()));
这里调用的是GetADCAverage();故而查表的表格是NTC的ADC表格;
本文中只设计了RT表没有制作对应的AD表，可以用Excel表格将RT表换算得出对应的AD表，原理是一样的。

到此温度值就已经得到了，精度至少可以保证在±0.3以内，为什么这么讲，
我们要明白影响温度精度的要素有什么？
1.Vcc：取决于LDO，可以用四位半以上万用表测试一下电压等；
2.30K：取决于精密电阻，一般选用1‰，不同的NTC配置不同的大小的电阻；
3.NTC：NTC也是电阻，故NTC的精度和表格的精度是有误差的；一般情况下采购是分等级的；
4.MCU：批量生产的时候，可能会发现芯片是有差的，每一个芯片的ADC采集到的数值是不一样的，原因很多，其中影响较大的是芯片设计的时候内部的参考电压是否是稳定的；
5.计算过程中的误差，比如浮点型转整型，求取平均值的时候的误差；
等等诸多因素
其中影响最大的就是第4条，芯片之间的差异；批量生产的时候需要注意，如果存在这个问题那么设计电路的时候也许就要换个思路了，后面会讲如何改变消除这种影响，抛开第四条因素之外（如果你选用的芯片没有第四条这个问题），其他的只要不是很差劲，精度一般可以做到±0.1以内；

五、消除芯片ADC误差的影响，在上述四的基础上进行代码的扩展实现

要明白一点，这个误差是来自于不同芯片之间内部的参考电压不一致，为了排除掉这个误差，可以用下图的设计，避开掉内部的参考电压对数据结果的影响。

那么根据新的电路设计，使用双ADC，为了方便阅读，我们在这里先约定：
1.AN1引脚的ADC值命名为MaxADC；
2.AN2引脚的ADC值命名为MinADC；
3.精密电阻依然是30K，命名为Rm；
4.NTC的电阻值命名为Rntc，程序中为：RKohmValue 见后面程序；
求取的Rntc = Rm*MinADC/(MaxADC-MinADC);
这样无论是MaxADC还是MinADC都是以该芯片的参考电压为比例得到的数值；分式就抵消掉了这部分的影响，其实仔细思考会发现抵消掉的还有Vcc的影响，毕竟随着电池使用，电量降低，其实LDO出来的数值也是会有影响的，不仅如此，LDO的精度也受制于选择的型号及品牌，不过没关系这部分在这里也将抵消掉！
为了进一步提高精度，要在多次采样之后均值的处理上做一些改变！
为什么要这么做，上图

这里只是我在Excel上随机写了100组数据，实际上我们采集到的ADC的数值离散分布也是如此的，那么我们最好能够摒弃掉上下两个绿色框内的数据，限制幅度，其实样本大了以后会发现，中位值是最接近真值的。

那么我们要怎么处理这些离散数据呢？
获取一定样本的数据，放在一维数组中，对该数值的元素进行从小到大排序，取中间一定数量的元素求和取平均值，但是因为冒泡排序是比较耗费资源的，再求和取平均势必影响出值速度，因此这里我取中位值作为有效值去计算NTC的电阻值！
我将其称为限幅滤波，或者是中位值滤波！

7.滤波

/*======================以下是对数据进行滤波处理============================*/
/*说明：代码中使用了malloc和free，用malloc来申请空间自身是有弊端的，它会将空间分成很多个碎片，
但在本实验中没有太大影响，*/
/*================================================================================
*Function	Name 	:GetMaxADCValue
*Description  		:获取供电端ADC的数值
*parameter			:无
*Return				:MaxADCFilterValue 
================================================================================*/
float GetMaxADCValue(void)
{/*== 变量定义 ==*/float	 MaxADCFilterValue = 0;		uint32_t *MaxADCArray;//数组首元素的地址uint32_t i,j,m=0;uint32_t times = 501;//样本大小	/*== 获得样本数据 ==*/	MaxADCArray = (uint32_t *)malloc(times);for(m=0;m<times;m++){		  MaxADCArray[m] = Get_MaxADC_Single_ADC_Value();			}			/*== 样本数据从小到大排列 ==*/			for (j=0;j<times-1;j++){for (i=0;i<times-1-j;i++){if (MaxADCArray[i] > MaxADCArray[i+1]){MaxADCArray[i]	 ^= MaxADCArray[i+1];MaxADCArray[i+1] ^= MaxADCArray[i];MaxADCArray[i]	 ^= MaxADCArray[i+1];}}}	/*== 滤除远离目标值的无效值 ==*/	//这里只取了排序之后的中间的值作为有效值，也就是中位值			MaxADCFilterValue = MaxADCArray[250];free(MaxADCArray);return MaxADCFilterValue;			
}
/*================================================================================
*Function	Name 	:GetMinADCValue
*Description  		:获取NTC端ADC的数值
*parameter			:无
*Return				:MinADCFilterValue
================================================================================*/
float GetMinADCValue(void)
{/*== 变量定义 ==*/float    MinADCFilterValue = 0;uint32_t *MinADCArray;//数组首元素的地址uint32_t i,j,m=0;uint32_t times = 801; //样本大小	/*== 获得样本数据 ==*/MinADCArray = (uint32_t *)malloc(times);for(m=0;m<times;m++){MinADCArray[m] = Get_MinADC_Single_ADC_Value();}/*== 样本数据从小到大排列 ==*/for (j=0;j<times-1;j++){for (i=0;i<times-1-j;i++){if (MinADCArray[i] > MinADCArray[i+1]){MinADCArray[i] 	 ^= MinADCArray[i+1];MinADCArray[i+1] ^= MinADCArray[i];MinADCArray[i] 	 ^= MinADCArray[i+1];}}}/*== 滤除远离目标值的无效值 ==*///这里只取了排序之后的中间的值作为有效值，也就是中位值MinADCFilterValue = MinADCArray[400];free(MinADCArray);return MinADCFilterValue;
}

8.获取NTC阻值

/*================================================================================
*Function	Name 	:GetRKohmValve
*Description  		:获取当前温度下NTC阻值
*parameter			:无
*Return				:NTC的阻值
================================================================================*/
float GetRKohmValve(void)
{float RKohmValue = 0;float MaxADC,MinADC = 0;MaxADC = GetMaxADCValue();MinADC = GetMinADCValue();RKohmValue = 30*MinADC/(MaxADC-MinADC);return RKohmValue;
}

创建变量TempValue作为求得的目标温度值
TempValue= GetDisplayTempValue(GetAccuraryTemperature(GetRKohmValve()));
这里调用的是GetRKohmValve();故而查表的表格是NTC的RT表格;

最后，设计上如果对功耗有要求，在第二种设计的基础上可以用一个单独的IO口作为供电端Vcc，
使用的时候拉高，不用的时候拉低，这样可以降低功耗！

到此，NTC的使用的介绍已经结束，如果有看官姥爷觉得写得还不错的，烦请不吝点赞收藏关注！有发现问题的请在评论区指出，有需要进一步了解的可以私信！
预告下一篇博文可能会写额温枪相关的。
感谢您的审阅！