基于單片機(jī)技術(shù)的熱電阻溫度傳感器設(shè)計(jì)

楊 兵，張 彤，趙苗慧，雒少哲，余智偉

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的迅速進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域?qū)囟鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)控要求逐漸廣泛。根據(jù)傳感器市場(chǎng)報(bào)告，溫度傳感器在所有傳感器中占比最大，被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等重要領(lǐng)域。因此，一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控溫度并且操作簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量產(chǎn)品對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活具有重大意義。有關(guān)專家指出，各國(guó)會(huì)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行深入研究，以加速新型溫度傳感器的開發(fā)，從而使得傳感器在高精技術(shù)中更好地發(fā)揮作用，增強(qiáng)運(yùn)行能力[1]。

基于上述背景，本文將設(shè)計(jì)一款熱電阻溫度傳感器，以單片機(jī)作為主要核心，溫度信號(hào)的測(cè)控及采集均由單片機(jī)系統(tǒng)自行完成[2]。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)方便，測(cè)量溫度范圍廣，可對(duì)溫度設(shè)置閾值。若超出閾值，系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警蜂鳴。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器設(shè)計(jì)方案

溫度傳感器由溫度敏感元件熱電阻、熱電阻保護(hù)套、鍍銀特制導(dǎo)線、絕緣陶瓷管、固定螺帽、信號(hào)引出線以及接線端子組成。熱電阻保護(hù)套和固定螺帽將保護(hù)熱電阻以及固定熱電阻。導(dǎo)線固定支架座保護(hù)導(dǎo)線，防止損壞。將熱電阻裝到保護(hù)套中，然后加上電源和放大電路，就組成了完整的傳感器。

1.2 傳感器的組成

利用敏感元件可直接測(cè)量需測(cè)量的物理量，再將數(shù)據(jù)傳送給轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換元件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電腦能識(shí)別的信號(hào)從而完成信息采集過程，如圖1所示。

圖1 傳感器組成

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是利用鉑電阻制成溫度傳感器，傳感器將溫度的變化值轉(zhuǎn)換為電阻的變化值，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸送到單片機(jī)中。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出給顯示電路。如果溫度不在閾值內(nèi)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警。按鍵電路可以對(duì)溫度的閾值進(jìn)行設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)的電路由5個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 總設(shè)計(jì)方框

3 溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

（1）溫度測(cè)量范圍大約在-200 ℃到+850 ℃之間。

（2）測(cè)量的時(shí)候，響應(yīng)時(shí)間小于30 s。

（3）測(cè)量溫度時(shí)，探頭插入深度應(yīng)大于200 ms，以保證準(zhǔn)確性。

（4）允許通過的電流要小于5 mA。

（5）鉑熱電阻的阻值與溫度關(guān)系：第一，-200 ℃＜t＜0 ℃時(shí)，RRt=100×[1+At+Bt2+Ct3×(t－100)]；第二，0 ℃＜t＜850 ℃時(shí)，RRt=100×(1+At+Bt2)。

3.2 溫度檢測(cè)及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

AD623放大器是一款集成式的單電源放大器，具有相當(dāng)優(yōu)秀的交流共模抑制比，且隨著增益提高而增大[3]。當(dāng)熱電阻的阻值隨溫度變化時(shí)，將熱電阻兩端的信號(hào)輸送到AD623放大器中。信號(hào)被放大后再輸送給轉(zhuǎn)換器，從而把隨著溫度不斷變化的阻值轉(zhuǎn)換為不斷變化的數(shù)字量。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用ADC0809轉(zhuǎn)換器。它是一種8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809內(nèi)部自帶輸出鎖存器，能與單片機(jī)直接相連[4]。模數(shù)轉(zhuǎn)換在此設(shè)計(jì)中起橋接作用，傳感器和單片機(jī)中的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化都要用到轉(zhuǎn)換電路。

4 系統(tǒng)外圍硬件電路

（1）顯示電路：LCD1602是工業(yè)上和生活中最常用到的液晶顯示器，能把數(shù)字、字母、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)實(shí)時(shí)顯示。

（2）振蕩電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)有兩種時(shí)鐘方式，本設(shè)計(jì)只有一個(gè)單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，所以采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。

（3）復(fù)位電路：復(fù)位電路采用的是組合方式。這樣就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位的雙重操作。

（4）報(bào)警電路：當(dāng)溫度數(shù)據(jù)脫離閾值之后，單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生一定頻率的脈沖，外接一只三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，從而達(dá)到報(bào)警目的。

（5）鍵盤電路：設(shè)計(jì)采用3個(gè)按鍵來(lái)進(jìn)行操作，3個(gè)按鍵各有作用，第一個(gè)按鍵作用是選擇設(shè)置溫度上下閾值，第二個(gè)和第三個(gè)按鍵作用是對(duì)上下溫度閾值加或減，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)設(shè)置報(bào)警范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為一個(gè)熱電阻溫度傳感器，以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。本設(shè)計(jì)利用PT100溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)；采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)外加報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)顯示溫度不在溫度閾值內(nèi)時(shí)，單片機(jī)所連接的報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警，達(dá)到對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控效果。本設(shè)計(jì)具有較高穩(wěn)定性，測(cè)量溫度范圍廣泛，測(cè)量精度較高，使用極為方便，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。