熱敏電阻測溫電路設(shè)計(jì)

1、電子設(shè)計(jì)大賽論文（B組）熱敏電阻測溫電路設(shè)計(jì)第三十組K3隊(duì)組隊(duì)成員：顧代輝 黃龑 羅程2010年5月23日摘要：科技發(fā)展，很多工業(yè)化的生產(chǎn)都需要溫度測量，這使得溫度測量儀器變成一個很重要的東西。下面我們將題目所給的溫度測量電路進(jìn)行分析和改動設(shè)計(jì)。題目所給圖是一個在工業(yè)場合的溫度測量系統(tǒng)，采用RTD電阻溫度檢測器。通過分析可知，兩端分到的電壓即為,Vo3輸出的電壓即為NTC兩段分到的電壓。而要求我們設(shè)計(jì)的電路所用的是NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。題目要求我們將電流產(chǎn)生電路的電流控制在0.1m A。這里我們簡單的將改成25k。對于濾波電路，我們設(shè)計(jì)各個參數(shù)使得其截至頻率在100Hz左右，就能濾掉10

2、00HZ的干擾信號；對于基準(zhǔn)源，我們都用基本的連接方法，輸出電壓為2.5V；對于穩(wěn)壓管，輸出電壓為恒定的5V；對于串口連接，我們用到MAX232芯片其中一個接口，與單片機(jī)的RXD/TXD連接傳輸數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：溫度傳感器 AVR 串口顯示I電路分析（1）電流產(chǎn)生電路分析：首先對于運(yùn)放A1，由虛短和虛斷，可知有：可解得：即第一個運(yùn)放功能為將信號放大兩倍。對于運(yùn)放A2,同理，有有:可見，運(yùn)放A2是一個電壓跟隨器。又：故：兩端分到的電壓為由此可見：兩端分壓恒為基準(zhǔn)電壓，只要基準(zhǔn)電壓和的值不變，則通過的電流為恒定值，該電路的作用為產(chǎn)生恒定電流。由于，故Rline和R6相當(dāng)于并聯(lián)，故故可認(rèn)為恒定電流都通過

3、熱敏電阻RTD。運(yùn)放A3以及NTD分析：由疊加法分析，當(dāng)接地時，當(dāng)接地時，故 而 將和代入得即為RTD兩端端電壓，與Rline的值無關(guān)，故Rline不影響測溫精度。二階有源低通濾波電路：采用s域模型 ，即 對于節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用KCL可得 聯(lián)立得傳遞函數(shù)：=其中為截止角頻率，Q為品質(zhì)因數(shù)若=， =則傳遞函數(shù)化為，截止頻率則用s=jw代入上式得該濾波電路的幅頻相應(yīng)函數(shù)為：相位響應(yīng)函數(shù)為：由于溫度變化不會很快，所以熱敏電阻的電壓的頻率不會很大，該電路能濾掉高頻干擾信號，取適當(dāng)?shù)碾娮桦娙葜稻湍軐?shí)現(xiàn)功能，例如讓品質(zhì)因數(shù)Q0.707，截止頻率100Hz, 頻率大于時幅頻相應(yīng)函數(shù)斜率為-40dB/十倍頻程，即可濾

4、掉1kHz的干擾信號。（2）AD轉(zhuǎn)換器原理：輸入電壓首先與D/A器輸出電壓相比較，若/2，比較器輸出為1，若，比較結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的Dn-1位。移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。如最高位已存1，則此時=。于是再與相比較，如，則次高位Dn-2存1，否則Dn-2=0；如最高位為0，則/，與比較，如，則 Dn-2位存1，否則存0。以此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。由AD轉(zhuǎn)換原理可知：AD輸出的二進(jìn)制數(shù)的值為： （n為AD的位數(shù)） 由得：由此可得：由AD輸出的數(shù)字信號與無關(guān)，當(dāng)發(fā)生微小變化時，不會對輸出數(shù)字信號產(chǎn)生影響，所以AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源與電流產(chǎn)生電路使用同一個基準(zhǔn)源有利于溫度測量的穩(wěn)定。I

5、I電路設(shè)計(jì)依據(jù)所給電路進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)：1. 改變使電流產(chǎn)生電路的輸出電流為0.1mA；2. 熱敏電阻RTD改為NTC；3. 運(yùn)放A3正的輸入端加上一個平衡電阻，使輸出電壓Vo3為更精確地等于熱敏電阻兩端的電壓；4. 使用AVR單片機(jī)的AD，Vo直接輸入到單片機(jī)的PA0腳。一、5V穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)該電路使用7805芯片，電源有12V提供，輸出一個穩(wěn)定的電壓Vout=5V。二、基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)：對給定的基準(zhǔn)源，我們做出以下設(shè)計(jì)電路圖，可得到基本穩(wěn)定的2.5V基準(zhǔn)電壓。圖中，Vbatt=5V，R=1k，故Vo=2.5V。三、電流產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)：把Rref改成25k，用20 k和一個10 k電位器的組成，調(diào)節(jié)電位

6、器，使總電阻Rref=25 k由I電路分析可知，分在上的電壓即為，我們所用基準(zhǔn)源電壓為2.5V，故要當(dāng)=25k時即滑動變阻器為5k時能使I=0.1mA。四、NTC的電路連接設(shè)計(jì)：NTC電路模塊根據(jù)I電路分析可知，Vo3相對于地的電壓即為NTC兩端的電壓，輸出能夠表示溫度傳感器的電壓值。另外，對于運(yùn)放A3，由于n、p兩輸入端的輸入電阻相差較大，對于電路的放大作用會產(chǎn)生很大誤差，為了平衡兩輸入端電阻，我們加一個平衡電阻Rb：（如下圖:）n端輸入電阻：K而p端輸入電阻為：KK此處我們?nèi)b=51K五、濾波電路的設(shè)計(jì)：為得到較好的幅頻相應(yīng)波形，令品質(zhì)因素Q=0.707。放大倍數(shù)：=品質(zhì)因數(shù)：0.707

7、為了濾掉1kHz的干擾信號，取截止頻率=約為100Hz，選電容C=0.33uF，由=算出R=4.85k,取R=4.7k則截止頻率: =對于測溫現(xiàn)場可能有1000HZ的干擾信號，該濾波器的參數(shù)所能濾掉的信號頻率為，頻率大于時幅頻相應(yīng)函數(shù)斜率為-40dB/十倍頻程，可以濾掉1kHz的干擾信號。以下是multism11對該濾波電路傳遞函數(shù)的仿真由光標(biāo)顯示看出當(dāng)頻率為1kHz時輸出幅度約為0Hz時的十分之一。六、單片機(jī)串口電路設(shè)計(jì)MAX32可接兩個串口，我們這里只用到一個串口1。從T1out和R1in輸入，從T1in和R1out輸出對應(yīng)接入單片機(jī)的TXD和RXD接口。所接方法如圖所示：七、單片機(jī)外接電

8、路設(shè)計(jì)如圖為單片機(jī)的外圍電路。使用內(nèi)部8MHz時鐘，故未連外部晶振。連接RESET的為復(fù)位電路，RXD和TXD連接串口電路輸出。VCC（電源正極）和AVCC（模擬信號正極）均連接5V穩(wěn)壓電源。AD輸入我們使用PA0（ADC0）口。AREF為AD參考電壓，與電流產(chǎn)生電路使用同一個基準(zhǔn)源，使信號轉(zhuǎn)換不隨基準(zhǔn)源的變化而變化。、實(shí)驗(yàn)結(jié)果下面我們以一個特定的值來分析：由以上電路連接我們可以測得NTC兩端的電壓為：Vntc=0.354AD的輸入（即最后一個運(yùn)放的輸出）為：Vo4=0.575其比例與運(yùn)算所得到的Af=1.59很接近。在單片機(jī)里面的處理也將信號放大了兩倍，故顯示的電壓值應(yīng)該為Vo4的兩倍。這里

9、顯示電壓為1146Mv，由此說明，實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)是符合的，電路連接及元件的使用時正確的。從總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，我們所測量的溫度已電壓的形式顯示出來，達(dá)到了一個較好的效果。但是，由于在相近的兩個顯示值之間電壓值變化比較大，使得他的值在不斷的波動。誤差分析：這是由于電路不穩(wěn)定造成的，我們連接時將元件的位置放得太緊密，電路中可能存在不定的電容量或者電阻量，所以這種誤差量的存在性更大，這需要對元件進(jìn)行檢查，并且對元件連接的各個電路檢查。并將比較緊密的元件分散連接?？傮w上我們的電路測量值能夠反映溫度的測量值，達(dá)到了所要求的溫度測量目的。、實(shí)驗(yàn)程序的編寫程序我們用ICC AVR編寫，用AVR S

10、TUDIO燒程序。對于整個程序的控制流程，可分以下模塊：AD轉(zhuǎn)換定時中斷（將頻率控制在2HZ）模擬信號輸入數(shù)據(jù)處理發(fā)送顯示字符設(shè)計(jì)要求是測得的代表溫度變化的電壓值通過單片機(jī)串口在計(jì)算機(jī)上用串口調(diào)試助手顯示，傳輸速率9600bps，采樣速率為2Hz，即每秒更新兩次數(shù)據(jù)。為了測量數(shù)據(jù)的精確性，我們?nèi)∈巫鲆粋€平均再發(fā)送，使得程序輸出的電壓值更穩(wěn)定。我們用Usart_PutChar（）函數(shù)發(fā)送字符，將測得的溫度轉(zhuǎn)換為各個為上的一個數(shù)，然后分貝發(fā)送到電腦上顯示。對于要求控制在2HZ，我們使用中斷，在程序中加入中斷而不使用延遲，使得每循環(huán)一次的時間為0.5S，這樣就很好的保證了頻率的準(zhǔn)確。以下為附帶程序

11、：#include <iom16v.h> #include <macros.h>/#include <avr/interrupt.h> #pragma interrupt_handler miao:9/常量聲明#define BAUD 9600 /波特率設(shè)置值#define F_CPU 8000000/全局變量聲明unsigned int ADData; /AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)/函數(shù)聲明void Port_Init(void); /端口初始化配置void Usart_Init(void); /USART寄存器設(shè)置void AD_Init(void); /A c

12、har cTXData); /字節(jié)發(fā)送函數(shù)void Usart_PutString(unsigned char *pcString); / 字符串發(fā)送數(shù)據(jù)unsigned int AD_GetData(void);/AD轉(zhuǎn)換函數(shù)void Timer_Init(void);int num;int main(void) ADData=0;num=0;Port_Init();Usart_Init();AD_Init();Timer_Init();Usart_PutString("AD");Usart_PutString("ADC0");while(1); vo

13、id miao() TCNT1H=0XF9; TCNT1L=0XE3; num+; ADData=ADData+(int)(long)AD_GetData() * 5010 / 1024); if(num=10) num=0;ADData=ADData/10; /單位為mv。Usart_PutChar(ADData / 1000 + 0x30); /得到電壓值的千位并發(fā)送Usart_PutChar(ADData % 1000 / 100 + 0x30); /得到電壓值的百位并發(fā)送Usart_PutChar(ADData % 100 / 10 + 0x30); /得到電壓值的十位并發(fā)送Usart

14、_PutChar(ADData % 10 + 0x30); /得到電壓值的個位并發(fā)送Usart_PutString("mV"); /發(fā)送電壓符號"mV"Usart_PutChar(0x0d); / Usart_PutChar(0x0a); / AD值發(fā)送結(jié)束，回車換行ADData=0;void Timer_Init() TCCR1B=0X04;TCNT1H=0XF9;TCNT1L=0XE3;TIMSK|=BIT(2);SREG|=BIT(7);/端口狀態(tài)初始化設(shè)置函數(shù)void Port_Init()PORTA = 0X00; DDRA = 0x00; /

15、ADC通道設(shè)置為輸入口，高阻態(tài)/USART寄存器配置函數(shù)void Usart_Init()UCSRA = 0X00;UCSRC |= (1<<URSEL) | (1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0); /異步，數(shù)據(jù)格式，N， /UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I/O地址,寫UCSRC 時，URSEL 應(yīng)設(shè)置為1。UBRRL = (F_CPU / BAUD / 16 - 1) % 256; /波特率設(shè)置UBRRH = (F_CPU / BAUD / 16 - 1) / 256;UCSRB |= (1 << RXCIE)

16、| (1 << RXEN) | (1 << TXEN); /發(fā)送使能/字節(jié)發(fā)送函數(shù)void Usart_PutChar(unsigned char cTXData)while( !(UCSRA & (1 << UDRE) ); /只有數(shù)據(jù)寄存器為空時才能發(fā)送數(shù)據(jù)UDR = cTXData; /發(fā)送數(shù)據(jù)送USART I/O數(shù)據(jù)寄存器UDR/接收中斷函數(shù)ISR(USART_RXC_vect )unsigned char Rev;Rev = UDR; /從USART I/O數(shù)據(jù)寄存器UDR中讀出數(shù)據(jù)Usart_PutChar(Rev); /將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送void Usart_PutString(unsigned char *pcString)while (*pcString)Usart_PutChar(*pcString+); Usart_PutChar(0x0D);Usart_PutChar(0x0A); /結(jié)尾發(fā)送回車換行/AD轉(zhuǎn)換初始化函數(shù)void AD_Init()ADMUX |= (1 << REFS0); /ADC參考電壓為AVcc，ADC結(jié)果右對齊，選擇通道