介紹了諧振式石英晶體溫度傳感器的基本原理，給出了用單片機(jī)測(cè)量溫度的基本電路，分析了測(cè)量算法，給出了軟件流程圖。
??? 關(guān)鍵詞：石英諧振器，溫度敏感性，單片機(jī)
　　

　　溫度是基本物理量之一，在很多場(chǎng)合都要求能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量溫度，有些場(chǎng)合甚至還要點(diǎn)測(cè)溫度值，對(duì)這些，傳統(tǒng)方法已不能勝任。
　　對(duì)于某些切型的壓電石英晶體〔1〕〔5〕，利用其溫度－頻率特性做成傳感器，可將溫度的變化轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制型信號(hào)；而該信號(hào)在傳送與接收過程中，有很好的抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控，易于用數(shù)字式儀器測(cè)量，易于與單片機(jī)、計(jì)算機(jī)連接，據(jù)此就可以做成滿足要求的數(shù)字溫度計(jì)。根據(jù)不同的頻率和切型，石英晶體溫度傳感器的溫度靈敏度可以在20Hz／℃至2850Hz／℃范圍內(nèi)變動(dòng)，使溫度分辨力達(dá)1×10－4℃，而且溫漂、時(shí)漂極小。

1　測(cè)溫機(jī)理
　　壓電石英晶體在振蕩電路激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生各種形式的機(jī)械振動(dòng)。晶片的厚度剪切振蕩〔2〕如圖1所示，其振蕩頻率為：

式中，n：泛音次數(shù)，h：晶片厚度，v：剪切波的速度，ρ：石英晶體密度，μ：石英晶體彈性系數(shù)；其中h，ρ，μ都是溫度的函數(shù)，這樣，頻率f就成為溫度t的隱函數(shù)f（t）。
　　實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)任何一種石英諧振器，其溫度－頻率特性f（t）是一條二次或三次拋物線或直線；在－200～＋200℃內(nèi)，在足夠的精度下，石英晶振的頻率特性可用三次多項(xiàng)式表示：

這就是石英晶體的溫度敏感特性，式中，f0為在任意參考溫度t0℃時(shí)的頻率；a、b、c分別為一、二、三階頻率溫度系數(shù)，與晶片的切割類型及振型有關(guān)。作為溫度傳感器，為了保證較高的靈敏度以及溫度－頻率特性有良好的線性，a值要大，且遠(yuǎn)大于b和c的值（最好有b＝c＝0），但實(shí)際生產(chǎn)的晶片中二者不可兼得。目前，對(duì)于旋轉(zhuǎn)Y切型YXL＋5°，有a＝95．6×10－6／℃（f＝10MHz），分辨率達(dá)萬(wàn)分之幾度；Ys切型：a＝80×10－6／℃（f＝5MHz，n＝3），分辨率高達(dá)4×10－6℃；NL切型線性度很好，其系數(shù)a＝63．5×10－6／℃，b＝－18．1×10－9／℃，c＝－35．9×10－11／℃。常見石英溫度傳感器的主要切型、各階溫度系數(shù)及溫度－頻率非線性度如表1所示〔3〕。
??? 對(duì)于線性度很好的石英晶體，被測(cè)溫度較容易測(cè)算，不再贅述；若忽略c，則可由（3）式解得溫度t〔4〕：

??? 顯然，當(dāng)測(cè)得ft后可計(jì)算出被測(cè)溫度。
　　為不失一般性，可用簡(jiǎn)化的牛頓迭代法對(duì)（3）式求
　　解三次函數(shù)〔3〕，取t＝t0做第一次迭代：

這樣，既減小了非線性誤差，又便于單片機(jī)運(yùn)算。
2　單片機(jī)測(cè)溫原理
　　由于用于測(cè)溫的石英傳感晶振的振蕩頻率f較高（幾MHz以上），不能用單片機(jī)直接測(cè)量，但經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，可借助D觸發(fā)器測(cè)得其與參考頻率的差值Δf，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。測(cè)溫電路如圖2所示，由溫度傳感晶振構(gòu)成的振蕩器，其輸出的頻率信號(hào)f經(jīng)整形后送到D觸發(fā)器。

　　取單片機(jī)的時(shí)鐘晶振信號(hào)fCP（取fCP稍低于f0）為參考頻率并作為D觸發(fā)器的CP信號(hào)，其波形圖如圖3所示。設(shè)ΔT＝TCP－T，初始時(shí)，CP上升沿與D端輸入的傳感方波f的下降沿對(duì)齊，此刻，Q端由高電平跳到低電平，經(jīng)過k個(gè)CP周期，當(dāng)kΔT＝T／2時(shí)，Q端變?yōu)楦唠娖?。CP周期的個(gè)數(shù)k可由單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值（即機(jī)周期個(gè)數(shù)）n換算而得：k＝－12n。這樣，有ΔT＝T／（24n），而Δf＝fCP－f＝ΔTfCP／T＝fCP／（24n）。此處，fCP與f并非同一晶振的頻率，當(dāng)在初始溫度t0時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值為n0（不要溢出）；
　　傳感晶振的溫度為t時(shí)，其頻率的變化應(yīng)當(dāng)是：


　　按式（6）計(jì)算出f1，取Δf1＝Δf－f1，代入上式做第二次迭代后，即算得較精確的被測(cè)溫度t。

　　編寫程序的框架流程圖如圖4所示，為消除偶然誤差，定時(shí)器的n值取其連續(xù)16次測(cè)量值的平均值（除以16易實(shí)現(xiàn)）。迭代計(jì)算依據(jù)上面的分析，按照式（8）、（9）、（6）、（9）的順序計(jì)算，其中的算術(shù)運(yùn)算通過調(diào)用子程序來(lái)完成，其余不再贅述。
3　結(jié)束語(yǔ)
　　本方案利用D觸發(fā)器獲取了溫度傳感晶振與單片機(jī)晶振的頻率之差，并經(jīng)單片機(jī)測(cè)量與計(jì)算，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量。本設(shè)備成本低廉，響應(yīng)快，易于與其它數(shù)字設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線點(diǎn)測(cè)溫度。不足之處在于：要求頻率隨溫度而升高的傳感晶振，在參考溫度時(shí)的頻率要略高于單片機(jī)晶振的頻率（如高50Hz），這使得這兩個(gè)石英晶體選取較麻煩。

1　B．B．馬洛夫著．壓電諧振傳感器．翁善臣譯．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984：47～61
2　姚守拙．壓電化學(xué)與生物傳感器．湖南師范大學(xué)出版社，1997：39～41
3　陳小林，王祝盈，謝　中等．石英晶體溫度傳感器的應(yīng)用．傳感器技術(shù)，2002，21（5）：55～57
4　謝勝秋，宋國(guó)慶．諧振式水晶溫度傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測(cè)．傳感器技術(shù)，2002，21（2）：1～4
5　田文杰．AT切形石英諧振器頻率溫度系數(shù)的研究．電子元件與材料，2002，（21）：9