摘要   介绍了负温度系数（NTC）热敏电阻的特性，阐述了NTC热敏电阻线性化的原理、改善NTC热敏电阻非线性的方法及其在测温系统中的应用。

关键词    NTC热敏电阻   温度系数  非线性   智能温度传感器   单片机

NTC（负温度系数）热敏电阻的测温范围比集成温度传感器宽（最高可达＋250℃），而价格又比铂热电阻低廉，被广泛应用于工业测温领域。但由于NTC热敏电阻属于非线性元件，因此必须进行线性化处理。利用外部电阻和智能温度传感器来实现NTC热敏电阻线性化的方法，其优点是电路简单、成本低廉，可同时对多路NTC热敏电阻做线性化处理，并能在此基础上构成多通道温度测量系统。

1 NTC热敏电阻的特性

   NTC热敏电阻的电阻值（ ）与热力学温度（T）的典型曲线如图1所示。由图可见，当温度升高时 迅速减小，NTC热敏电阻温度系数 的定义式可表示为

                                    (1)

                  图1 电阻值与热力学温度的典型曲线

NTC热敏电阻值与热力学温度的准确表达式为

                                           (2)

式中：A、B为由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数，B值为热敏指数。

   设在某一温度 下的电阻值为 ，有关系式

                                             (3)

将式（2）除以式（3）后得到

                                       (4)

对式（4）两边取对数后整理成

                                     (5)

利用式（5）可以计算出B值。

     最后将式（2）代入式（1）中并进行微分后可得到

                        (6)

这表明 并非一个常数，而是温度的函数，它与热力学温度的平方成反比，且为一负值。由此可见，NTC热敏电阻温度系数的绝对值随温度的降低而增大，随温度升高而减小，这是造成NTC热敏电阻非线性的根本原因。

2  NTC热敏电阻线性化的电路设计

通常利用单片机对NTC热敏电阻进行线性化，不仅电路复杂，而且要做大量的计算。下面介绍一种利用四通道智能温度传感器MAX6691实现NTC热敏电阻线性化的电路，如图2所示。 分别接4只热敏电阻。在 之间接外部电阻 。 分别为电源端和地。I/O为漏极开路的单线输入/输出接口，外部接10k 的上拉电阻。该芯片适配热敏电阻并具有单显I/O接口。

                 图2  NTC热敏电阻线性化电路

MAX6691既可配负温度系数（NTC）热敏电阻，又可配正温度系数(PTC)热敏电阻。在测量气体或液体温度时，使用NTC热敏电阻更为普遍。热敏电阻的测量范围可以超出芯片的工作温度。例如配10K3A1IA型NTC热敏电阻时，MAX6691的测温范围是－80℃～＋150℃，而MAX6691的工作温度范围仅为－55℃～＋125℃。

MAX6691内部主要包括5部分：①1.24V基准电压源；②由四选一模拟开关构成的多路转换器（MUX）；③缓冲放大器；④PWM转换器及单线I/O接口；⑤控制逻辑。外围元件中， 代表四只NTC热敏电阻， 为外部电阻， 为I/O端上拉电阻，C为滤除电源噪声的电容。

MAX6691的测温原理如下：首先通过自动切换多路转换器（MUX）依次检测4只NTC热敏电阻的电压，然后进行缓冲放大，再利用PWM转换器把电压信号变成脉宽信号，由单线I/O接口送给单片机（ ），最后由 分别计算出4路被测温度的数值。测量准确度为0.5％，测量误差小于0.5％FS(FS代表满量程温度值)，能自动检测热敏电阻开路或短路故障，一旦出现故障，I/O端就输出一个很窄的故障脉冲。

在测量前，MAX6691处于休眠模式，I/O端呈高电平 。测量开始时，单片机首先把I/O端置成低电平并至少保持5 时间，然后释放I/O端。MAX6691的 端就依次连接到热敏电阻 上，再经过 接基准电压 ，测量过程需102ms（典型值）。测量结束时，MAX6691先把I/O端拉成低电平并保持125 ，然后按照顺序输出4个脉宽信号 , 即表示高电平持续时间，它与外部电阻 上的压将 成正比。 代表低电平持续时间，它与 成正比，因 为固定值，故 恒定不变， ＝4.9ms。 比值的表达式为^[3]

                   (7)

                            （8）

利用单片机很容易测出每一路温度所对应的 比值，进而计算出 值，再根据外部存储器中的 与温度对照表确定该路温度值。测量过程中，若检测到第3路热敏电阻 发生了开路或短路故障，则输出的第3个脉宽信号就变成了脉宽仅为122 的窄脉冲，称之为故障脉冲，其脉宽小于5％ 。利用这一特点， 很容易识别出来并通过故障报警使扬声器发声。

3  改善NTC热敏电阻非线性的方法及使用注意事项

   NTC热敏电阻与温度呈非线性关系，必须进行线性化处理。具体方法是首先给 串联一只合适的外部电阻 ，然后接到1.24V基准电压 上，再利用MAX6691测量 上的电压，即可在所选温度范围内将NTC热敏电阻的非线性减至最小。

   计算 的步骤如下：

（1）       定所要测量的温度范围（例如0℃～＋70℃）；

（2）在该温度范围内确定热敏电阻的最小值 （对应于最高温度，例如＋70℃）、最大值 （对应于最低温度，如0℃）和中间值 （对应于中间温度，这里为＋35℃）；

（3）最后，利用下式计算出 值^[3]：

                        （9）

               图3  与温度的关系曲线

仍以10K3A1IA型NTC热敏电阻为例，假定所需温度范围是0℃～＋70℃。在70℃时 ；在0℃时， ；在中间温度35℃时， 。一并代入式（9）中计算出R 的最佳电阻值为2535.96 。当温度范围改变时，应重新确定 值。

串联上合适的 ，可显著改善NTC热敏电阻的非线性。使用10K3A1IA,选择 时， 与温度的关系曲线如图3所示。与图1相比，MAX6691输出的 值与温度的关系曲线更接近于线性。对10 IA进行线性化前后的电阻值对照情况见表1， 为线性化后的等效电阻值。根据表1所列出的数据绘出的电阻值－温度特性曲线如图4所示，图中的虚线表示线性化后的特性曲线。不难看出，在0℃～＋70℃温度范围内10K3A1IA的非线性已得到明显改善。

                  表1  10K3A1IA 在线性化前后的电阻值对照表

                    图4 线性化前后的电阻值－温度特性曲线

在改善NTC热敏电阻非线性时应注意以下事项：

① NTC热敏电阻自身发热的问题。实际上，热敏电阻在＋25℃时的标称电阻值（ ）和在规定温度下的电阻值（ ）以及所定义的B值，均指其内部发热量很小，所引起的电阻值变化量相对于总的测量误差可忽略不计，这时热敏电阻上的功耗接近于零，称作“零功率”。举例说明，一只典型的热敏电阻的热阻其每单位功耗所对应的温升为1 ℃。如果选用一只10 的NTC热敏电阻与5110 的外部电阻进行串联后接＋5V电压，那么在＋40℃时因热敏电阻发热而产生的测温误差大约为1.22℃。由于MAX6691使用很低的基准电压作激励源，并且在一个测量周期内每只热敏电阻的通电时间仅为25 ，因此在相同条件下热敏电阻的功耗还不足1 ，所产生的温度误差可忽略不计。

② MAX6691还可以配其他型号的NTC热敏电阻，例如D 公司生产的1M1002型、T 公司生产的C100Y103J型或国产与之相对应的其他型号。