一種金屬電阻溫度系數(shù)測量裝置的設(shè)計(jì)

張 禮, 左玉生

(東南大學(xué) 1. 成賢學(xué)院 基礎(chǔ)部物理實(shí)驗(yàn)中心，2. 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 江蘇 南京 210088)

0 引言

金屬電阻溫度系數(shù)實(shí)驗(yàn)是“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，該實(shí)驗(yàn)通過測量不同溫度下的金屬電阻值，計(jì)算得到金屬電阻的溫度系數(shù)[1]。但因?qū)嶒?yàn)所需測量數(shù)據(jù)較多，其中包括溫度、電阻值以及熱電偶熱電勢值，這導(dǎo)致很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏實(shí)驗(yàn)操作的方向感，常常會“手忙腳亂，顧此失彼”，嚴(yán)重制約教學(xué)效果[2～3]。

針對以上問題 ，我們開展了金屬電阻溫度系數(shù)測量裝置的設(shè)計(jì)?；趩纹瑱C(jī)和外圍芯片，該裝置可實(shí)現(xiàn)對金屬溫度及電阻等數(shù)據(jù)的采集，并通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而利用GUI實(shí)現(xiàn)界面顯示。簡言之，該裝置的特點(diǎn)是可實(shí)時(shí)直觀地顯示實(shí)驗(yàn)過程中溫度及電阻的實(shí)時(shí)變化情況。

基于以上裝置的特點(diǎn)，為提高教學(xué)效果，我們嘗試?yán)盟O(shè)計(jì)的裝置開展“一模擬、二實(shí)測”的教學(xué)方案，收到了較好的教學(xué)效果。具體而言，該教學(xué)方案是指學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)，利用本文所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)測量裝置對金屬電阻及溫度相關(guān)參數(shù)進(jìn)行第一次測定，建立感性認(rèn)識。然后基于教材所給出的測定方案進(jìn)行二次實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。如果學(xué)生在二次測量過程中出現(xiàn)困惑時(shí)，可以利用本文所實(shí)現(xiàn)的測量裝置實(shí)現(xiàn)對金屬相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，這樣學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可以做到“心中有數(shù)，有條不紊”，很快建立測定操作方向感，減小誤操作率，提高實(shí)驗(yàn)效率[4～6]。

1 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)方案

為反映溫度對電阻阻值的影響，這里定義金屬電阻溫度系數(shù)為：當(dāng)溫度每升高或降低1 °C時(shí)，電阻阻值增大或減小的百分?jǐn)?shù)，記作α，其單位是Ω°C-1?？捎孟率奖硎?：

(1)

式中R0和R1分別為0℃和t℃時(shí)金屬導(dǎo)體的電阻值。上式還可寫成：

R1=R0+R0αt=R0(1+αt)

(2)

可見，只要測得一組與溫度t相應(yīng)的阻值Rt，以溫度t為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的電阻Rt為縱坐標(biāo)作圖，則縱軸上的截距等于R0，直線斜率為m=αR0，電阻的溫度系數(shù)為m=αR0[7]。

基于上述原理，本文利用單片機(jī)改進(jìn)了溫度測量及電阻測量裝置，并將硬件獲取的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。然后利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并基于其圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)分步驟顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。改進(jìn)后的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算及顯示，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)起到很好的輔助作用。

2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

圖1給出了本設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)電路，其型號為STC89C52。它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash存儲器。這里為便于計(jì)算，所選晶振頻率為11.0592 MHz。

圖1 單片機(jī)電路

本實(shí)驗(yàn)原采用熱電偶溫度測量法，很難通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)熱電勢轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值的精確測量。在本測量方案中，為方便數(shù)據(jù)與上位機(jī)的傳輸，同時(shí)考慮到所設(shè)計(jì)測量裝置主要起到教學(xué)輔助作用，溫度測量精度只需實(shí)現(xiàn)整數(shù)值溫度測量即可，我們采用DS18B20溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)對溫度測量及傳輸。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DS18B20電路

DS18B20溫度傳感器是“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，其輸出僅需一條總線即可實(shí)現(xiàn)DS18B20與主機(jī) CPU的雙向通信，且其電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。圖3給出了該傳感器電路接線圖，其1腳接地，3腳接+5 V電源，2腳接單片機(jī)P3.7口，2腳同時(shí)接一只4.7 kΩ上拉電阻。DS18B20溫度傳感器測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，測量精度為0.5 ℃。本實(shí)驗(yàn)的溫度測量范圍最大為0～110 ℃，以上指標(biāo)完全滿足要求。

圖3 DS1820接線圖

2.2 數(shù)據(jù)輸出原理及串口配置

在單片機(jī)采集到數(shù)據(jù)后，可通過串行接口將采集數(shù)據(jù)傳送至上位PC機(jī)。在本方案中，考慮到筆記本電腦未配置串行接口，而臺式機(jī)使用時(shí)搬運(yùn)不方便等特點(diǎn)，我們采用PL2303的USB-UART轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的傳輸，如圖4所示。本轉(zhuǎn)換電路具有I2C總線接口，支持外部MODEM 信號遠(yuǎn)程喚醒功能；支持WINDOWS等多種操作系統(tǒng)(注：本方案所采用操作系統(tǒng)為Windows7)。

2.3 程序設(shè)計(jì)

溫度數(shù)據(jù)的讀取通過以下步驟完成：

1)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換

(1)復(fù)位DS18B20

(2)發(fā)出Skip ROM命令(CCH)

圖4 USB-UART轉(zhuǎn)換電路

(3)發(fā)出Convert T命令(44H)

2)讀取溫度

(1)復(fù)位DS18B20

(2)發(fā)出Skip ROM命令(CCH)

(3)發(fā)出Read命令(BEH)

(4)讀兩字節(jié)的溫度

(5)溫度格式轉(zhuǎn)換

3 電阻采集模塊設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中電阻在0 ℃時(shí)阻值約為50 Ω左右，實(shí)驗(yàn)過程中電阻隨溫度的變化量約0.01Ω左右。教材中實(shí)驗(yàn)方案所采用電阻測量儀器為開爾文雙臂電橋。在本實(shí)驗(yàn)方案中，為便于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集，考慮精度要求，采用電阻測量四線接法及運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)對電阻阻值的采集。

由于電阻阻值較小，本設(shè)計(jì)所獲得的電壓值較小。為便于數(shù)據(jù)讀取，我們采用了OP07運(yùn)算放大器芯片對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，如圖5所示。OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，其具有輸入失調(diào)電壓非常低(最大失調(diào)電壓僅為25 μV)、溫漂低、輸入偏置電流低(±2 nA)和開環(huán)增益高(300 V/mV)等特點(diǎn)。以上特點(diǎn)導(dǎo)致OP07運(yùn)放特別適用于高增益的測量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對傳感器等微弱信號的測量，不需要額外的調(diào)零措施。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 總體流程圖

圖6給出了電阻溫度系數(shù)獲取軟件流程圖。程序的處理分以下幾個(gè)部分進(jìn)行：

(1)溫度數(shù)據(jù)處理部分，以300秒為一個(gè)計(jì)時(shí)周期，記錄在這段時(shí)間內(nèi)的溫度值，得到溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式進(jìn)行輸出；

圖5 OP07運(yùn)算放大器電路

(2)電阻數(shù)據(jù)處理部分，以300秒為一個(gè)計(jì)時(shí)周期，記錄在這段時(shí)間內(nèi)的電阻值及此過程中的其他數(shù)據(jù)，獲得電阻值隨時(shí)間的變化關(guān)系，以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式進(jìn)行輸出；

(3)結(jié)果獲取部分，獲得實(shí)驗(yàn)過程中每隔5℃的電阻值，然后以電阻和溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合，通過圖6中所示的幾個(gè)步驟分別獲得直線的斜率、截距(對應(yīng)0 ℃電阻值)，并通過它們與溫度系數(shù)的關(guān)系，獲得最終的待測金屬電阻溫度系數(shù)的大小。

圖6 溫度系數(shù)獲取軟件程序流程圖

4.2 程序設(shè)計(jì)

Matlab的GUI程序部分設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：

(1)串口通信部分主要通過serial函數(shù)建立串口對象，set函數(shù)設(shè)置串口屬性并定義回調(diào)函數(shù)，fopen函數(shù)用來打開串口數(shù)據(jù)；

(2)接受回調(diào)函數(shù)部分主要通過fread函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)?；谒x數(shù)據(jù)分別計(jì)算出當(dāng)前值、平均值、最小值和最大值，并通過save函數(shù)存儲所測數(shù)據(jù)，獲得.mat文件。

5 算例

接通電源后，PC開始接收數(shù)據(jù)并顯示，其中溫度、電阻部分以300 s為一個(gè)周期，循環(huán)記錄測量數(shù)據(jù)并顯示于GUI界面中。學(xué)生可從此變化過程觀察到電阻及溫度隨時(shí)間的變化，形成直觀感性認(rèn)識。同時(shí)可以清晰的了解到，雖然教材中介紹了較為復(fù)雜的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)原理，但目的是為了測量溫度及電阻兩個(gè)較為熟悉的物理量，通過對實(shí)時(shí)溫度框和實(shí)時(shí)電阻框的觀察也能夠直觀地得出電阻值隨溫度變化的規(guī)律。

在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度測量范圍從室溫至95 ℃。若升溫測試，加熱電流不宜過大；若降溫測試，則可利用大電流將電阻加熱至100 ℃左右，然后再緩慢降溫，根據(jù)儀器的設(shè)計(jì)要求，須降溫至20 ℃以下。

達(dá)到上述要求后，可獲得電阻和溫度關(guān)系圖，如圖7所示。系統(tǒng)獲得測試結(jié)果的過程分為4步，分別為：①作圖點(diǎn)獲取(包含獲得作圖點(diǎn)及直線)；②獲取R0(即圖形的截距，系統(tǒng)所選為Cu50電阻，實(shí)際實(shí)驗(yàn)所用電阻與之不同)；③獲取K(即圖示斜率)；④獲取溫度系數(shù)(本實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果)。通過以上4個(gè)步驟，學(xué)生可以較為清晰的了解到本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作過程以及為獲取最終結(jié)果所需獲得的數(shù)據(jù)。

圖7 金屬電阻系數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算圖

6 結(jié)語

本文所實(shí)現(xiàn)的電阻溫度系數(shù)測量裝置已用于我院學(xué)生預(yù)習(xí)及二次實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中的方向性指引，實(shí)現(xiàn)“一模擬、二實(shí)測”的教學(xué)方案，效果良好。

基于本文所提出的測量裝置，所測到的電阻溫度系數(shù)為0.0428 Ω/℃。學(xué)生在二次實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，利用教材所推薦的雙臂電橋電阻阻值測量裝置，測量結(jié)果約為0.0430 Ω/℃，精度高于本實(shí)驗(yàn)裝置。雖然本裝置在精度上有所欠缺，但此實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)時(shí)測量金屬溫度與電阻，且所測數(shù)據(jù)具有直觀的界面顯示效果，能夠很好地指導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的測量。

對比來看，本文所實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過采用“一模擬、二實(shí)測”的方案，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫方面均有明顯改進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)操作方面，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作錯(cuò)誤有明顯的減少，實(shí)驗(yàn)效率顯著提升，實(shí)驗(yàn)重復(fù)率大幅降低；在實(shí)驗(yàn)報(bào)告方面，學(xué)生因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)測量錯(cuò)誤導(dǎo)致的結(jié)果錯(cuò)誤幾乎很少出現(xiàn)，而在實(shí)驗(yàn)的分析討論部分的工作有所增加，研究部分的內(nèi)容也有明顯的深化和提升。

[1] 任麗英. 測定金屬電阻溫度系數(shù)的方法研究[J]. 吉林:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).2010(05).7～10.

[2] 陳巒，唐毅. 電阻溫度系數(shù)測試系統(tǒng)[J]. 南寧:廣西輕工業(yè). 2008(11).27～29.

[3] 馮小娟，張華峻. 電阻溫度系數(shù)的微機(jī)測定系統(tǒng)[J]. 吉林:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn). 1995(02).45～47.

[4] 張曉光. 電阻和電阻溫度系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)[J]. 北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理. 1998(06).67～68.

[5] 趙云鵬. MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J]. 北京:微計(jì)算機(jī)信息. 2006(01).111～112.

[6] 王戰(zhàn)軍，沈明. 基于Matlab GUI的串口通信編程實(shí)現(xiàn)[J]. 西安:現(xiàn)代電子技術(shù). 2010(09).38～41.

[7] 陳小鳳.陳玉林.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:高等教育出版社.2015.1:181-188.