电子设计大赛论文热敏电阻测温电路设计

1、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100Hz左右，就能滤掉10

2、00HZ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：温度传感器 AVR 串口显示I电路分析（1）电流产生电路分析：首先对于运放A1，由虚短和虚断，可知有：可解得：即第一个运放功能为将信号放大两倍。对于运放A2,同理，有有:可见，运放A2是一个电压跟随器。又：故：两端分到的电压为由此可见：两端分压恒为基准电压，只要基准电压和的值不变，则通过的电流为恒定值，该电路的作用为产生恒定电流。由于，故Rline和R6相当于并联，故故可认为恒定电流都通过

3、热敏电阻RTD。运放A3以及NTD分析：由叠加法分析，当接地时，当接地时，故而将和代入得即为RTD两端端电压，与Rline的值无关，故Rline不影响测温精度。二阶有源低通滤波电路：采用s域模型 ，即对于节点，应用KCL可得 联立得传递函数：=其中为截止角频率，Q为品质因数若=， =则传递函数化为，截止频率则用s=jw代入上式得该滤波电路的幅频相应函数为：相位响应函数为：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Q0.707，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1kH

4、z的干扰信号。（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，如，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则/，与比较，如，则 Dn-2位存1，否则存0。以此类推，逐次比较得到输出数字量。由AD转换原理可知：AD输出的二进制数的值为：（n为AD的位数）由得：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温度测量的稳定。II电路设计依

5、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；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：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。图中，Vbatt=5V，R=1k，故Vo=2.5V。三、电流产生电路设计：把Rref改成25k，用20k和一个10k电位器的组成，调节电位器，使总电阻Rr

6、ef=25k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，故要当=25k时即滑动变阻器为5k时能使I=0.1mA。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:）n端输入电阻：K而p端输入电阻为：KK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：=品质因数：0.707为了滤掉1kHz的

7、干扰信号，取截止频率=约为100Hz，选电容C=0.33uF，由=算出R=4.85k,取R=4.7k则截止频率:=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的干扰信号。以下是multism11对该滤波电路传递函数的仿真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：七、单片机外接电路设计如图为单片机的

8、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。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=0.354AD的输入（即最后一个运放的输出）为：Vo4=0.575其比例与运算所得到的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1146M

9、v，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：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。、实验程序的编写程序我们用ICC AVR编写，用AVR STUDIO烧程序。对

10、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&

11、lt;iom16v.h>#include<macros.h>/#include <avr/interrupt.h> #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unsignedint 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);

12、/字节发送函数void Usart_PutString(unsignedchar *pcString); / 字符串发送数据unsignedint 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=

13、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 + 0x30); /得到电压值的千位并发送Usart_PutChar(ADData % 1000 / 100 + 0x30); /得到电压值的百位并发送Usart_PutChar(ADData % 100 / 10 + 0x30); /得到电压值的十位并发送Usart_PutChar(ADData %

14、10 + 0x30); /得到电压值的个位并发送Usart_PutString("mV"); /发送电压符号"mV"Usart_PutChar(0x0d); / Usart_PutChar(0x0a); / AD值发送结束，回车换行ADData=0;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 = 0x00; /ADC通道设置为输入口，高阻态/US

15、ART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_CPU / BAUD / 16 - 1) % 256; /波特率设置UBRRH = (F_CPU / BAUD / 16 - 1) / 256;UCSRB |= (1 << RXCIE) | (1 << RXEN)

16、 | (1 << TXEN); /发送使能/字节发送函数void Usart_PutChar(unsignedchar cTXData)while( !(UCSRA & (1 << UDRE) ); /只有数据寄存器为空时才能发送数据UDR = cTXData; /发送数据送USART I/O数据寄存器UDR/接收中断函数ISR(USART_RXC_vect )unsignedchar Rev;Rev = UDR; /从USART I/O数据寄存器UDR中读出数据Usart_PutChar(Rev); /将接收到的数据发送void Usart_PutString(unsignedchar *pcString)while (*pcString)Usart_PutChar(*pcString+); Usart_PutChar(0x0D);Usart_PutChar(0x0A); /结尾发送回车换行/AD转换初始化函数void AD_Init()ADMUX |= (1 << REFS0); /ADC参考电压为AVcc，ADC结果右对齐，选择通道