新型熱敏電阻特性曲線測(cè)定系統(tǒng)
方案論證與比較
加熱方法方案論證
方案一、采用水熱法進(jìn)行加熱，這是原系統(tǒng)的加熱方法，加熱不均勻，加熱不易控，水灑在實(shí)驗(yàn)室很容易造成安全事故。
方案二、采用渦流加熱器進(jìn)行加熱，加熱可控度最好，安全，但價(jià)格過(guò)高。
方案三、采用軟鐵進(jìn)行加熱，加熱可控，安全，且價(jià)格低廉。
通過(guò)比較，同時(shí)結(jié)合本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求并不十分嚴(yán)格，選擇方案三。
單片機(jī)選擇方案論證
方案一、采用51單片機(jī)，這是目前市場(chǎng)上最通用的單片機(jī)，價(jià)格最低廉，但容易受到外部干擾，不適合本系統(tǒng)的加熱環(huán)境，且使用較為麻煩，沒(méi)用內(nèi)部AD，需要外部擴(kuò)展元件較多。
方案二、采用ARM單片機(jī)，這是一種高端單片機(jī)，適合處理數(shù)據(jù)計(jì)算量大的系統(tǒng)，因此對(duì)本系統(tǒng)用處不大，且這種單片機(jī)也易受外部干擾，價(jià)格過(guò)高。
方案三、采用AVR單片機(jī)，這是先進(jìn)的低端單片機(jī)，使用簡(jiǎn)單，有自帶10位AD，受外部干擾很小。價(jià)格適中。同時(shí)它還具有其它眾多優(yōu)點(diǎn)。AVR單片機(jī)的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本， AVR單片機(jī)可以提供高達(dá)16MIPS的執(zhí)行時(shí)間，具有128K字節(jié)的可編程Flash存儲(chǔ)器，同時(shí)具備4096字節(jié)的靜態(tài)RAM。AVR單片機(jī)自帶看門狗定時(shí)器，在強(qiáng)烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運(yùn)算速度;I/O端口引腳數(shù)多達(dá)32根。
通過(guò)比較，選擇方案三。
電阻測(cè)量方案論證
方案一、采用內(nèi)部AD，通過(guò)伏安法，分別直接測(cè)量元件兩端電壓及電流，這種方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但精度很低，且由于電流較大，容易對(duì)單片機(jī)造成損害。
方案二、采用H橋法，這種方法精度高，但電路復(fù)雜，且難以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，不易控制。
方案三、采用穩(wěn)壓電源提供合適的電壓，再串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓，再通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部AD測(cè)量元件的電流，從而獲得元件的阻值。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，精度較高，安全可靠。
方案四、采用穩(wěn)壓電源提供合適的電壓，再串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓，再通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部AD測(cè)量元件的電壓，從而獲得元件的阻值。具有方案三的各項(xiàng)特點(diǎn)，同時(shí)由于AVR單片機(jī)對(duì)電壓測(cè)量比電流測(cè)量更加簡(jiǎn)單精確，因此精度更高。
通過(guò)比較，選擇方案四。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
熱敏電阻特性曲線測(cè)試系統(tǒng)(圖1)包括下列部分：
1、以功能強(qiáng)大的AVR單片機(jī)為核心控制部件;
2、利用PWM和溫度傳感器傳回的溫度信息對(duì)加熱部件進(jìn)行控制;
3、通過(guò)溫度傳感器(18b20)測(cè)量溫度，并實(shí)時(shí)對(duì)加熱環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控;
4、設(shè)計(jì)高穩(wěn)壓電源，利用標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓及內(nèi)部A/D方法進(jìn)行間接電阻測(cè)量;
5、通過(guò)LED進(jìn)行數(shù)據(jù)信息顯示。
圖1 總體框架圖
穩(wěn)壓電源模塊電路設(shè)計(jì)
由于我們通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓法測(cè)量待測(cè)電阻，因此需要高穩(wěn)壓電源。
通過(guò)變壓、整流和RC電路把交流220v市電變?yōu)樾‰妷褐绷鞣€(wěn)壓，再接入1117穩(wěn)壓芯片輸出高穩(wěn)壓電源。1117輸出電壓可精確調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖2。
圖2 電源電路圖
溫度測(cè)量模塊電路
溫度傳感器18B20將被測(cè)環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成帶符號(hào)的數(shù)字信號(hào)(以十六位補(bǔ)碼形式，占兩個(gè)字節(jié))，輸出引腳I/O直接與單片機(jī)的I/O相連，傳感器采用外部電源供電。AVR單片機(jī)是整個(gè)裝置的控制核心。顯示器模塊由四位一體的共陽(yáng)數(shù)碼管組成。系統(tǒng)程序分傳感器控制程序和顯示器程序兩部分，傳感器控制程序是按照18B20的通信協(xié)議編制。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對(duì)傳感器的讀寫和對(duì)溫度的顯示。CPU對(duì)18B20的訪問(wèn)流程是：先對(duì)18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。溫度測(cè)量電路示于圖3。
圖3 溫度測(cè)量電路
電阻測(cè)量模塊電路
我們采用單片機(jī)內(nèi)部ADI測(cè)量待測(cè)材料電壓的方法來(lái)間接測(cè)量其阻值。具體方法為：利用外部穩(wěn)壓電源給待測(cè)材料和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路提供8伏直流電壓。這樣在已知標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值R0和測(cè)得的待測(cè)材料電壓U的情況下就可求出待測(cè)電阻阻值Rx：
Rx=R0×U/(8-U)
應(yīng)該注意，單片機(jī)內(nèi)部A/D只能測(cè)量不超過(guò)VCC的電壓，因此在本電路(圖4)中，待測(cè)材料最大可測(cè)阻值不超過(guò)R0×5/8。若要讓可測(cè)阻值范圍增大，可以加大標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值。但同時(shí)精度也會(huì)降低，因此要根據(jù)需要選擇合適的最低阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。[!--empirenews.page--]
圖4 電阻測(cè)量模塊電路
加熱模塊電路
采用穩(wěn)壓PWM和光耦合技術(shù)來(lái)控制加熱速度，使待測(cè)電阻材料在合適的時(shí)間內(nèi)加熱到預(yù)定溫度范圍。加熱速度控制在20到30分鐘內(nèi)上升100攝氏度是合適的。在其他特殊情況下，也可以通過(guò)PWM來(lái)調(diào)節(jié)加熱速度加熱電路示于圖5。
圖5 加熱電路設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)
主程序設(shè)計(jì)
由于處理器速度較快,所以采用c語(yǔ)言編程方便簡(jiǎn)單。軟件流程圖示于圖6、圖7和圖8。
圖6 主程序流程圖
圖7 18b20測(cè)溫程序流程圖
圖8 電阻測(cè)量程序流程圖
系統(tǒng)測(cè)試
測(cè)試工具：標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻
測(cè)試方法：利用本系統(tǒng)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻材料的熱敏特性曲線。與標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻的標(biāo)準(zhǔn)特性曲線進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)表明，在一定溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體材料的電阻RT和絕對(duì)溫度T的關(guān)系可表示為，兩邊取自然對(duì)數(shù)、得到：ln RT=b/T+C。若以自變量1/t為橫坐標(biāo)，ln RT為縱坐標(biāo)，則上式圖象基本是一直線。得到特性圖示于圖9。
由圖9可看出，特性曲線基本為直線，由于任何熱敏電阻都不可能在大溫度范圍內(nèi)保持線性性，在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)試成功。
結(jié)語(yǔ)
由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)：
·可滿足熱敏電阻特性曲線測(cè)試要求;
·可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與處理，提高實(shí)驗(yàn)精度;
·安全性能明顯提高。
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