热敏电阻测温电路设计

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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：顾代辉黄饕罗程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，Rf两端分到 的电压即为V ,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 ref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Ref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1

2、00Hz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：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：yoi - 272=271即第一个运放功能为将信号放大两倍。对于运放A2,同理，有V = V21221 21 = 122 = 0有：VO2=V21可见，运放入2是一个电压跟随器。又：V = V + *广 VO 2)X R4 = VreFVo11 O 2

3、R + R2VO1 - 2V11 = Vref + VO 2故：R REF两端分到的电压为Vr= VO1 - Vre广 Vref + Vo 2 - Vo 2 = Vref由此可见：R两端分压恒为基准电压v ref，只要基准电压和R的值不变，则通过R单电流I =耳=存=1mA为恒定值，该电路的作用为产生恒定电流REFR 2.5k由于匕2=匕p=匕，故Rline和R6相当于并联,I R100=6=Ir6Rline 1故可认为恒定电流I都通过热敏电阻RTD。运放入3以及皿分析：Kline /2 ,比 2o 2较器输出为若V 3/4、则次高位Dn-2存1,否则Dn-2=0 ；如最高位为0,则匕=匕时,

4、/4/ , 与V。比较，如V VreJ4，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：D = 2n X 匕=2n X rTDVreVre （n为AD的位数）VREFR REFVrtd= 1 X Rrtd= 1，X Rrtd由得：D2n XVref = 2n XRTDRref X VrefRref由此可得：由AD输出的数字信号与匕EF无关，当Vref发生微小变化时，不会对输出 数字信号产生影响所以入。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.电路设计依据所给电路进行适当改进：1-改变Rref使电流

5、产生电路的输出电流为0.1mA ；2. 热敏电阻RTD改为可：；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12V 严Vput=5VIN OUT -GNDMC7805ACT GND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Vref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=V =2.5V。三、电流产生电路设计:把Rref改成25kQ，用2

6、0 kQ和一个10 kQ电位器的组成，调节电位器，使总电阻Rref=25 kQ由I 电路分析可知，分在Rref上的电压即为匕时，我们所用基准源电压为2.5V，故 要当Rrf =25kQ时即滑动变阻器为5kQ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:R = R6 x R7 = 50 Kn R6 + R7而p端输入电阻

7、为：R = R牝1 KRb = R - R 牝 49 K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：AVFV=VOPR + R 20 + 3310R1111=1.594 33品质因数:1一1一 0.7073 - AVF为了滤掉1kHz的干扰信号，取截止频率f =约二约为100Hz，选电容c 2兀 2兀RCC= C1 =七=0.33uF，由 f= _Lc 算出 R=4.85kQ,取 R= R = R88 =4.7kQ则截止频率:Wc = RC = 4.7 x 0.33 X10-3 =。仙”r w 644.75f = c = 102.67

8、Hzc2兀2 x兀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fc =102-67Hz，频率大于fc时幅频相应函数斜率为一4逾/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DesignlAC Analysis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。280 011=制g10.0n=46=4G0腿46一0 武4.6 mE1.0000 m第迎 JOWOk 1.0227 359.0000 -S.9769 -S. 9359IB l.OQlOia六、单片机串口电路设计MAX32可接两个串口，我们这里只用

9、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:0TlwtTlutKlculTScMitT2miKZou1GND0TTL七、单片机外接电路设计?EC (XCKTCPAG (ADC吟?Ei JT1PA2 (ADC 1PA2 ADC 2?BJ (AIXl OCC；-CAD3)?B4 恳：?A4 (ADCE)?B.P I(.皿:?D2 (IXT0-)HCMKKj .?d-j(iyr.m 必(ms-?D4PC4(TD-C.-?I3 JOC1APC? (.TDI).PD-C (IC?JPC6 (TOCl).?D-7 (GC2)3(

10、7疑WCKE-SETAVCCAltEFVTYL1GXCXTALlGD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。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。m,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A = h = 0575牝1.62Vnc

11、0.354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，A1 =1.1460.5751.99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

12、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。W,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：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

13、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 cTX

14、Data); 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=

15、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 % 10 + 0x30)

16、; /得到电压值的个位并发送 Usart_PutString(mV);/发送电压符号mVUsart_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/USART寄存器配置函数void Usart_Init()(UCSRA

17、 = 0X00;UCSRC |= (1URSEL) | (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) | (1 TXEN);发送使能/字节发送函数void Usart_PutChar(unsigned char cTXData)(while( !(UCSRA & (1 *寄普 reiurn AD。 局回 ADCBMHh