熱電阻溫度傳感器

【摘 要】本設(shè)計(jì)是基于ATmega16（L）AVR單片機(jī)的熱電阻溫度傳感器。文章介紹了傳感器的基本功能及組成情況，傳感器主要由四部分組成：電橋、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換及LCD1602液晶顯示。

【關(guān)鍵詞】熱電阻 溫度傳感器 放大器 AVR單片機(jī)

一、引言

隨著社會的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對溫度因素要求越來越高，溫度的高精度測量是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域一個重要問題。 溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器，例如自動空調(diào)系統(tǒng)、家用電器溫度控制中，都需要溫度傳感器來完成，因?yàn)闇囟仁切铚y量和控制的重要參數(shù)之一。本設(shè)計(jì)一個基于AVR單片機(jī)的熱電阻溫度傳感器，用于檢測液體溫度并將結(jié)果直觀顯示。

二、系統(tǒng)功能分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可把電路分為模擬部分和數(shù)字部分，采用ATmega16（L）AVR單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，主要實(shí)現(xiàn)兩個功能，一是將待測溫度轉(zhuǎn)換為電壓并放大，由模擬部分即電橋電路和電壓放大電路實(shí)現(xiàn)。二是將電壓轉(zhuǎn)換為溫度并顯示，由數(shù)字部分完成，即ATmega16（L）AVR單片機(jī)和LCD1602液晶顯示，單片機(jī)將電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度，送到LCD顯示。

三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制電路由電橋電路、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路及LCD顯示電路組成。綜合考慮設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)情況后選擇以下方案以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的合理化、實(shí)用化及最小成本化。

（一）電橋電路。熱電阻的敏感元件阻值隨溫度發(fā)生的變化是很微弱的，必須用專門電路測量這種微弱的變化，最常用電路就是電橋電路。電橋的作用：把電阻片的電阻變化率ΔR/R轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進(jìn)行測量。為了將約2mV～9mV微弱的電壓信號能夠較穩(wěn)定的輸出，盡量減少各種干擾，該設(shè)計(jì)是采用不平衡電橋的±5V恒壓源供電法。電橋四臂中只有一臂接入電阻傳感器，其余三臂均為固定電阻，則輸出電壓U0為[1]：

（3.1）

（二）探測器測溫方法

電阻溫度探測器（RTD）是一根阻值隨溫度變化而變化的特殊導(dǎo)線。目前銅和鉑兩種探測器應(yīng)用較廣泛，鉑電阻溫度傳感器有PT100，其電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3/℃，電阻變化率為0.3851Ω/℃，具有測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，電阻與溫度之間關(guān)系接近于線性。為了提高測量精確度，使用鉑熱電阻Pt100為探測器。為了消除導(dǎo)線電阻受被測溫度環(huán)境的影響，引線采用三線制測量法。當(dāng)電橋達(dá)到平衡時，有 （3.2）

則

因取，則有 （3.3）

若使 ，則有

由上可知，調(diào)節(jié)使電橋平衡，可消除環(huán)境影響。當(dāng)Pt100所測溫度發(fā)生變化時，其電阻相應(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化，輸出端產(chǎn)生毫伏級電壓，輸出電壓與溫度呈線性關(guān)系變化[2]。

（三）放大電路。經(jīng)分析可知，傳感器輸出信號是十分微弱的微伏級電壓，且易受噪聲干擾。因此要有效提取該信號，關(guān)鍵是在放大有用信號時把干擾信號有效地抑制掉，設(shè)計(jì)還需考慮放大器精度及穩(wěn)定性。

1.前置放大電路。整個電路的失調(diào)電壓及漂移與第一級密切相關(guān)，因此第一級選用具有超低失調(diào)電壓和超低漂移的集成運(yùn)放ICL7650，且第一級承擔(dān)儀用放大器主要放大作用，則取R2=100K，R1=2K，R3/R4=1。第二級的漂移和失調(diào)電壓對整個電路的作用大大降低，但其共模抑制比CMRR對整個電路的CMRR影響很大，因此第二級選用價格低且性能優(yōu)越的低漂移集成運(yùn)放OP07，其失調(diào)電壓為45V，溫漂為0.3V/℃，增益為450V/mV，共模抑制比為123dB。因第一級增益較大，易引起自激振蕩，因此在兩個100K電阻兩端加上150P的電容。ICL7650是一種斬波穩(wěn)零運(yùn)放，斬波頻率低（200HZ），其輸出信號中含有斬波尖峰噪聲，因此第二級差分運(yùn)放電路又做低通濾波器，對斬波噪聲及其它干擾信號抑制效果較好[3]。

2.后級放大電路。后級放大電路完成信號二次放大和低通濾波作用，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。應(yīng)用OP07構(gòu)成反相放大電路，Vin 是經(jīng)前置放大電路放大后的電壓，理論上此放大電路放大倍數(shù)為b=100倍。C9、R7 構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其電路截止頻率為，f=1/2Л×R×C-1/2?！?0K×0.01u-530 Hz，符合設(shè)計(jì)要求（有用信號頻率范圍主要集中在0到500 Hz）；管腳7和4分別接一個0.1pF瓷片電容，用于濾除高頻成分；為了減少失調(diào)電流，管腳3接R6；OUT端信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送至CPU處理。

（四）數(shù)據(jù)采集及處理。單片機(jī)控制和測量中涉及物理量均為模擬量，模擬量要輸入單片機(jī)須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機(jī)才能進(jìn)行運(yùn)算、加工和處理。在本設(shè)計(jì)中，直接應(yīng)用ATmega16（L）AVR單片機(jī)與軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換及通信功能，電路簡單又能滿足設(shè)計(jì)需要。

A/D轉(zhuǎn)換基本原理是：將參考電平按最大的轉(zhuǎn)換值量化，再利用輸入模擬電平與參考電平比值求得輸入電平的測量值（V測=V參*（AD量化值/AD轉(zhuǎn)換的最大值））。有些MCU A/D轉(zhuǎn)換的參考電平可選擇由一個外部引腳輸入，使得用戶可以對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行更好控制。值得注意的是A/D轉(zhuǎn)換輸入電平須比參考電平低或相等，否則測試的結(jié)果會偏差很大。

（五）顯示電路。液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等優(yōu)點(diǎn)，近幾年被廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器低功耗電子系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)用常見的1602字符型LCD模塊作為顯示器。1602B可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。

四、系統(tǒng)調(diào)試

啟動系統(tǒng)，將程序燒寫入控制芯片ATmega16。下載結(jié)束后將探測器放入熱水中，用萬用表測量模擬部分信號輸出端電壓值U0，與LCD顯示電壓U1比較。當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定后，將探測器放入冷水中，再次比較顯示結(jié)果，同時記錄LCD上顯示的溫度T1，如表4-1所示。

表4-1 電壓及溫度測量結(jié)果（表4-1）

五、結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能：

根據(jù)鉑電阻溫度探測器的電阻隨溫度變化而變化原理，將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化，再運(yùn)用不平衡電橋原理將變化的電阻轉(zhuǎn)化為電壓。

用ICL7650制作差動放大電路，將電橋產(chǎn)生的毫伏級電壓進(jìn)行差動放大100倍，用OP07的典型運(yùn)放電路作為后級放大，通過聯(lián)級方式對小信號放大濾波[5]。

用BASCOM語言編程控制AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)將模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及通信，并在LCD上顯示電壓及相應(yīng)溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫傳友，孫曉斌.感測技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006

[2]單成祥，牛彥文，張春.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006

[3]張茂青.AVR單片機(jī)高級語言BASCOM程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2005

[4]任志山，黃春耀.高精度、高穩(wěn)定度微弱信號放大器的設(shè)計(jì)[J].自然科學(xué)版.2003

[5]張春峰，鄒新杰.基于ATmega16的電熱鍋爐溫度控制器的開發(fā)研制[J].今日電子.2007