NTC溫度轉換的無損壓縮解壓縮算法

盧玉波，石鑫

（海信集團有限公司，青島266071）

引 言

現代家電（如冰箱、空調等），功能越來越多，技術含量越來越高，這些家電大多使用單片機進行控制。近幾年來單片機得到了飛速的發展，從8位機發展到目前的32位機，存儲器從OTP發展到現在的FLASH，內部資源也越來越豐富。但是家電產品追求利潤，單片機在選型時，往往選擇能滿足要求的最低配置，在復雜的設計中，常常會遇到內部FLASH空間不夠的問題。為此，本文針對家電產品常用的溫度測量，提出了一種查表數據壓縮算法，有效降低了FLASH空間占用。

1 NTC負溫度系數熱敏電阻選型

1.1 NTC負溫度系數熱敏電阻

NTC（Negative Temperature Coefficient，負溫度系數熱敏電阻）是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻現象和材料[1]。NTC當作溫度傳感器，在家電、汽車電子、醫療儀器、手機電池及充電電器等方面應用廣泛。在比較高檔的冰箱上，會用到6～10只NTC，各NTC的溫度轉換是程序設計的重要部分。

1.2 NTC電阻值和溫度變化的關系

在實際產品設計應用中發現，NTC電阻值和溫度變換是成非線性關系的[2]。二者關系如下所示：

RT＝RN×exp[B（1/T-1/TN）] （1）

其中，RT是在溫度為T時的NTC熱敏電阻值，RN是額定溫度為TN時的NTC熱敏電阻值，T為所測溫度。因為材料常數B本身也是溫度T的函數，所以式（1）是經驗公式，只有在額定溫度TN或額定電阻阻值RN的有效范圍內才具有一定的精度，在全部范圍內偏差可能超過10%。

1.3 NTC參數選擇

在設計冰箱時，會根據具體的應用部位選擇不同參數的NTC，并按照冰箱間室的不同特征溫度選擇NTC的額定溫度。如冷藏室溫度為1～8℃，特征溫度為5℃，測量冷藏室溫度的NTC選擇R（5℃）＝5K06，B（5/25℃）＝3 839K；冷凍室的溫度為-15～-25℃，特征溫度為-18℃，測量冷凍室溫度的NTC選擇R（-18℃）＝16K9，B（-18/25℃）＝3 771 K；測量環境溫度的 NTC選擇R（25℃）＝5K0，B（5/25℃）＝3 839K。

2 溫度測量方法

2.1 單片機測量溫度電路

以冷凍室溫度測量電路為例，如圖1所示，分壓電阻R1＝10 kΩ，若ADC轉換精度為8位，則NTC所測溫度經ADC轉換后的值為255×RT/（RT＋10）。圖2給出了1.3節中3種參數的NTC的溫度-電阻值-A/D值的部分數據。

圖1 冷凍室溫度測量電路

圖2 RT表及對應的A/D值

2.2 查表算法

在實際應用中，單片機性能和公式的偏差決定了不可能由式（1）直接推算出所測溫度，簡便可行的辦法是查表。以冷凍室溫度傳感器為例，溫度測量范圍為-40～40℃，共81個溫度值，對應的A/D值為220～25，共196個。

每個溫度值對應1～4個A/D值，每個A/D值對應一個溫度值。為了處理簡便，將溫度范圍調整為0～80℃，可得到以下數組temp＿f1：

由此可得到NTC所測溫度：

其中AD值是A/D轉換后的值。

這是最普通直接的算法，但在單片機應用領域，存在表格數據所占空間太大的問題。在冰箱中，有多種參數的NTC，表格數據所占空間在0.5 KB以上，對單片機的選型和成本影響很大。必須采用某種形式的壓縮算法，并且是無損的壓縮方式，這在單片機內存空間緊張時非常有用。

2.3 無損壓縮查表算法

鑒于查表法產生的表格數據占據存儲空間量大的問題，本文提出了一種實用的無損壓縮查表算法。用1個字節表示2個溫度值，如：-40℃，對應的A/D值有2個，-39℃，對應的A/D值有2個，可以用十六進制數據0x22表示-40℃和-39℃對應的A/D值。得到數組temp＿f2，數組temp＿f2比數組temp＿f1所占空間減少了79%，但包含的信息是相同的。

當然，還可以進一步壓縮，從圖2中可以看出，每個溫度對應的A/D值不超過4個，因此可以用1個字節的2位表示1個溫度值，那么1個字節就表示4個溫度值。以上數組可壓縮成21個字節，節省空間89.2%，這種壓縮方法在解壓縮時，耗費的程序空間要大一些。圖3為將數組temp＿f2壓縮/解壓縮的流程圖。

圖3 數組temp＿f2壓縮/解壓縮的流程圖

3 實驗結果

對于一款ROM為4 KB的單片機而言，使用本文提出的無損壓縮算法所占的內存空間為0.08 KB，未使用壓縮算法處理的表格數據占內存空間為0.53 KB。選擇樣本為500臺的家用電冰箱做測試，發現程序跑飛的概率二者分別為0%和0.2%，驗證了本算法的可行性。

結 語

本文給出的壓縮算法，可有效地降低溫度轉換部分程序占用量，在家電產品巨大的成本壓力下，讓單片機有限的FLASH存儲空間容納更多的功能。

[1]王恩信，荊玉蘭，王鵬程，等.NTC熱敏電阻器的現狀與發展趨勢[J].電子元件與材料，1997（4）.

[2]孟凡文.NTC熱敏電阻的非線性誤差及其補償[J].傳感器世界，2003（5）.