热敏电阻测温电路设计

第 1 页 电子设计大赛论文 B 组 热敏电阻测温电路设计 第三十组 K3 队 组队成员 顾代辉 黄龑 罗程 2010 年 5 月 23 日 第 2 页 摘要 摘要 科技发展 很多工业化的生产都需要温度测量 这使得温度测量仪器变成一 个很重要的东西 下面我们将题目所给的温度测量电路进行分析和改动设计 题目所给图 是一个在工业场合的温度测量系统 采用 RTD 电阻温度检测器 通过分析可知 两端 ref R 分到的电压即为 Vo3 输出的电压即为 NTC 两段分到的电压 而要求我们设计的电路所 ref V 用的是 NTC负温度系数热敏电阻 器 题目要求我们将电流产生电路的电流控制在0 1m A 这里我们简单的将改成 25k 对于滤波电路 我们设计各个参数使得其截至频率在 ref R 100Hz 左右 就能滤掉 1000HZ 的干扰信号 对于基准源 我们都用基本的连接方法 输 出电压为 2 5V 对于稳压管 输出电压为恒定的 5V 对于串口连接 我们用到 MAX232 芯片其中一个接口 与单片机的 RXD TXD 连接传输数据 关键词 关键词 温度传感器 AVR 串口显示 I 电路分析 电路分析 1 电流产生电路分析电流产生电路分析 首先对于运放 A1 由虚短和虚断 可知 1112 1112 0 VV II 有 11212 21 0 O VVV RR 可解得 11211 22 O VVV 即第一个运放功能为将信号放大两倍 即第一个运放功能为将信号放大两倍 对于运放 A2 同理 有 2122 2122 0 VV II 有 可见 运放运放 A2 是一个电压跟随器 是一个电压跟随器 221O VV 第 3 页 又 242 112 34 2 REFOREFO O VVRVV VV RR 1112 2 OREFO VVVV 故 两端分到的电压为 REFR 122ROREFREFOOREF VVVVVVV 由此可见 两端分压恒为基准电压 只要基准电压和的值不变 则 REFRREFVREFR 通过通过的电流的电流为恒定值 该电路的作用为产生恒定电流 为恒定值 该电路的作用为产生恒定电流 REFR REF REF V I R 2 5 1 2 5 mA k 由于 故 Rline 和 R6 相当于并联 3233pn VVV 故 6 6 100 1 R RI IRline 100 101 III 故可认为恒定电流都通过热敏电阻 RTD I 运放运放 A3 以及以及 NTD 分析 分析 由叠加法分析 当接地时 31 V 03313131 7100 6100 Rk VVVV Rk 当接地时 32 V 033232 76100100 2 6100 RRkk VVV Rk 故 0303033231 2VVVVV 而 32 RTD VRlineRI 31 2 RTD VRlineRI 第 4 页 将 和 代入 得 03 RTDRTD VRIV 即为 RTD 两端端电压 与 Rline 的值无关 故故 Rline 不影响测温精度 不影响测温精度 03 V 二阶有源低通滤波电路 二阶有源低通滤波电路 采用 s 域模型 1011 11 O VF P VRR A VR 即 9 2 1 pAp VVV R sC 92 1 A p V V sR C 对于节点 应用 KCL 可得 A V 3 1 89 0 oAAP AO VVVV VVsC RR 联立 得传递函数 1289 2 03 1828291289 1 1111 1 VF o VF A VC C R R A s V sAs C RC RC RC C R R 2 22 VFC C C A w w sw Q 其中为截止角频率 Q 为品质因数 1289 1 C w C C R R 若 8 R 9 RR 1 C 2 CC 则传递函数化为 2 03 1 3 oVF VF VA A s VAsCRsCR 第 5 页 1 C w RC 1 3 VF Q A 截止频率 2 C C w f 则 2 2222 VFCO CC CC A wA A s ww swsw QQ 用 s jw 代入上式得该滤波电路的幅频相应函数为 2 22 1 20lg 20lg 1 o CC A jw A ww ww Q 相位响应函数为 2 arctan 1 C C ww Q w w w 由于温度变化不会很快 所以热敏电阻的电压的频率不会很大 该电路能滤掉高频 干扰信号 取适当的电阻电容值就能实现功能 例如让品质因数 Q 0 707 截止频率 100Hz 频率大于时幅频相应函数斜率为 40dB 十倍频程 即可滤掉 1kHz 的干扰 C f C f 信号 2 AD 转换器原理 输入电压首先与 D A 器输出电压相比较 若 2 比 2 REF V 2 REF O V V 较器输出为 1 若 比较结果存于数据寄存器的 Dn 1 位 移位寄存器的次高位 2 REF O V V 置 1 其他低位置 0 如最高位已存 1 则此时 于是再与相比较 o V3 4 REF V 1 V3 4 REF V 如 则次高位 Dn 2 存 1 否则 Dn 2 0 如最高位为 0 则 与 1 3 4 REF VV 0 4 REF VV 比较 如 则 Dn 2 位存 1 否则存 0 以此类推 逐次比较得到输出 O V 1 4 REF VV 数字量 由 AD 转换原理可知 AD 输出的二进制数的值为 22 nn oRTD REFREF VV D VV n 为 AD 的位数 REF REF V I R 第 6 页 RTDRTDRTD VIRIR 由 得 22 nn RTDREFRTD REFREFREF RVR D RVR 由此可得 由 AD 输出的数字信号与无关 当发生微小变化时 不会对输 REF V REF V 出数字信号产生影响 所以 AD 转换器的基准源与电流产生电路使用同一个基准源有利于转换器的基准源与电流产生电路使用同一个基准源有利于 温度测量的稳定 温度测量的稳定 II 电路设计 电路设计 依据所给电路进行适当改进 1 改变使电流产生电路的输出电流为 0 1mA REF R 2 热敏电阻 RTD 改为 NTC 3 运放 A3 正的输入端加上一个平衡电阻 使输出电压 Vo3 为更精确地等于热敏电阻两 端的电压 4 使用 AVR 单片机的 AD Vo 直接输入到单片机的 PA0 脚 一 5V 稳压源的设计 该电路使用 7805 芯片 电源有 12V 提供 输出一个稳定的电压 Vout 5V 二 基准源的设计 REF V 对给定的基准源 我们做出以下设计电路图 可得到基本稳定的 2 5V 基准电压 第 7 页 图中 Vbatt 5V R 1k 故 Vo 2 5V REF V 三 电流产生电路设计 把 Rref 改成 25k 用 20 k 和一个 10 k 电位器的组成 调节电位器 使总电阻 Rref 25 k 由 I 电路分析可知 分在上的电压即为 我们所用基准源电压为 2 5V REF R REF V 故要当 25k 时即滑动变阻器为 5k 时能使 I 0 1mA REF R 四 NTC 的电路连接设计 NTC 电路模块根据 I 电路分析可知 Vo3 相对于地的电压即为 NTC 两端的电压 输出能够表示温度传感器的电压值 另外 对于运放 A3 由于 n p 两输入端的输入电阻相差较大 对于电路的放大作用 会产生很大误差 为了平衡两输入端电阻 我们加一个平衡电阻 Rb 如下图 第 8 页 n 端输入电阻 K 67 67 50 n RR R RR 而 p 端输入电阻为 K1 pline RR K49 bnp RRR 此处我们取 Rb 51K 五 滤波电路的设计 为得到较好的幅频相应波形 令品质因素 Q 0 707 放大倍数 1011 11 O VF P VRR A VR 2033 1 594 33 第 9 页 品质因数 0 707 1 3 VF Q A 为了滤掉 1kHz 的干扰信号 取截止频率 约为 100Hz 选电容 2 C C w f RC 2 1 C 0 33uF 由 算出 R 4 85k 取 R 4 7k 1 C 2 C f c RC 2 1 9 R 8 R 则截止频率 1 C w RC 3 1 644 75 4 7 0 33 10 2 C C w f 644 75 102 67 2 Hz 对于测温现场可能有 1000HZ 的干扰信号 该滤波器的参数所能滤掉的信号频率为 频率大于时幅频相应函数斜率为 40dB 十倍频程 可以滤掉 1kHz 的102 67 C fHz C f 干扰信号 以下是 multism11 对该滤波电路传递函数的仿真 第 10 页 由光标显示看出当频率为 1kHz 时输出幅度约为 0Hz 时的十分之一 六 单片机串口电路设计 MAX32 可接两个串口 我们这里只用到一个串口 1 从 T1out 和 R1in 输入 从 T1in 和 R1out 输出对应接入单片机的 TXD 和 RXD 接口 所接方法如图所示 第 11 页 七 单片机外接电路设计 如图为单片机的外围电路 使用内部 8MHz 时钟 故未连外部晶振 连接 RESET 的 为复位电路 RXD 和 TXD 连接串口电路输出 VCC 电源正极 和 AVCC 模拟信号正 极 均连接 5V 稳压电源 AD 输入我们使用 PA0 ADC0 口 第 12 页 AREF 为 AD 参考电压 与电流产生电路使用同一个基准源 使信号转换不随基准源 的变化而变化 实验结果 实验结果 下面我们以一个特定的值来分析 由以上电路连接我们可以测得 NTC 两端的电压为 Vntc 0 354 AD 的输入 即最后一个运放的输出 为 Vo4 0 575 其比例 4 0 575 1 62 0 354 O NTC V A V 与运算所得到的 Af 1 59 很接近 在单片机里面的处理也将信号放大了两倍 故显示的电压值应该为 Vo4 的两倍 这 里显示电压为 1146Mv 1 146 11 99 0 575 A 由此说明 实验所得到的数据与理论数据是符合的 电路连接及元件的使用时正确 的 从总体实验结果显示 我们所测量的温度已电压的形式显示出来 达到了一个较好 的效果 但是 由于在相近的两个显示值之间电压值变化比较大 使得他的值在不断的波 动 误差分析 误差分析 这是由于电路不稳定造成的 我们连接时将元件的位置放得太紧密 电 第 13 页 路中可能存在不定的电容量或者电阻量 所以这种误差量的存在性更大 这需要对元件进 行检查 并且对元件连接的各个电路检查 并将比较紧密的元件分散连接 总体上我们的电路测量值能够反映温度的测量值 达到了所要求的温度测量目的 实验程序的编写 实验程序的编写 程序我们用 ICC AVR 编写 用 AVR STUDIO 烧程序 对于整个程序的控制流程 可分以下模块 AD 转换定时中断 将 频率控制在 2HZ 模拟信号输入 数据处理 发送显示字符 设计要求是测得的代表温度变化的电压值通过单片机串口在计算机上用串口调试助 手显示 传输速率 9600bps 采样速率为 2Hz 即每秒更新两次数据 为了测量数据的精确性 我们取十次做一个平均再发送 使得程序输出的电压值更 稳定 我们用 Usart PutChar 函数发送字符 将测得的温度转换为各个为上的一个数 然后分贝发送到电脑上显示 对于要求控制在 2HZ 我们使用中断 在程序中加入中断而 不使用延迟 使得每循环一次的时间为 0 5S 这样就很好的保证了频率的准确 以下为附带程序 include include include pragma interrupt handler miao 9 常量声明 define BAUD 9600 波特率设置值 define F CPU 8000000 全局变量声明 第 14 页 unsigned int ADData AD转换获得的数据 函数声明 void Port Init void 端口初始化配置 void Usart Init void USART寄存器设置 void AD Init void A char cTXData 字节发送函数 void Usart PutString unsigned char pcString 字符串发送数据 unsigned int AD GetData void AD转换函数 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 void miao TCNT1H 0XF9 TCNT1L 0XE3 num ADData ADData int long AD GetData 5010 1024 if num 10 num 0 ADData ADData 10 单位为mv Usart PutChar ADData 1000 0 x30 得到电压值的千位并发送 Usart PutChar ADData 1000 100 0 x30 得到电压值的百位并发送 Usart PutChar ADData 100 10 0 x30 得到电压值的十位并发送 Usart PutChar ADData 10 0 x30 得到电压值的个位并发送 Usart PutString mV 发送电压符号 mV Usart PutChar 0 x0d Usart PutChar 0 x0a AD值发送结束 回车换行 ADData 0 第 15 页 void Timer Init TCCR1B 0X04 TCNT1H 0XF9 TCNT1L 0XE3 TIMSK BIT 2 SREG BIT 7 端口状态初始化设置函数 void Port Init PORTA 0X00 DDRA 0 x00 ADC通道设置为输入口 高阻态 USART寄存器配置函数 void Usart Init UCSRA 0X00 UCSRC 1 URSEL 1 UCSZ1 1 UCSZ0 异步 数据格式 N UCSRC寄存器与UBRRH寄存器共用相同的I O地址 写UCSRC 时 URSEL 应设置为1 UBRRL F CP