手把手教你使用热敏电阻NTC，产品级精度±0.1℃以内，简单明了，内附源码详解，方便移植

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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：在这里插入图片描述通过上图，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。在这里插入图片描述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 251 static 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 uint8_t i,index = 0; for(i=0;i /*times是样本采样次数 * adc_average 是均值 */ for(t=0;t /* 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 = 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[NTCTABNum-1])) { serialNum = LookupTable(NTCTAB,NTCTABNum,readRKohm); t0 = GetRoughTemperature(serialNum); /*== 温度范围在32℃ -- 42℃ ==*/ if((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); ****************************************************************/

在这里插入图片描述

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。在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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 for (i=0;i 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 for (i=0;i 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！

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