基于單片機的銅熱電阻傳感器基本參數測試

陳虹麗, 牛佳林, 彭 輝

(1. 哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國飛行試驗研究院, 陜西 西安 710089)

傳感器技術同計算機技術和通信技術一起構成了現今信息產業三大支柱,這也已經成為目前科學技術快速進步的象征[1]。溫度傳感器是各行業都需要的重要元件,被廣泛用于軍事工業、家用電器、信息技術、機械加工、裝備制造等領域[2-4]。

本文內容是計算機技術和溫度傳感器在“檢測與轉換技術”實驗教學中的應用。通過實驗,學生可以更加形象、具體、系統地掌握信號檢測系統中銅熱電阻傳感器的制作和基本參數測試方法,以及在直流電橋、差動放大電路下銅熱電阻溫度測量。自行制作一個模擬加熱爐系統,該加熱系統給銅熱電阻傳感器提供不同環境溫度,可以通過按鍵設置溫度值并將實際溫度值控制在設置值范圍內。

1 銅熱電阻傳感器的設計

1.1 熱電阻工作原理

熱電阻阻值隨著其所處環境溫度改變而改變的規律滿足[5]:

RT=R0[1+α(T-T0)]

(1)

式中:RT表示熱電阻所處環境溫度為T時的電阻值;R0表示熱電阻所處環境溫度為T0時的阻值;α是熱電阻的溫度系數,表示單位溫度變化引發的電阻變化量，α只有在一定的溫度變化范圍內時才能看作常數。

1.2 銅熱電阻的制作

電阻的計算公式為

(2)

其中,ρ表示該種電阻的電阻率,l表示該電阻絲長度,s表示電阻絲截面積。

現有漆包銅電阻絲的直徑為0.1 mm,骨棒的直徑0.45 cm,銅絲的電阻率ρ=1.75×10-8Ω·m。繞制一個阻值為50 Ω的銅熱電阻。由式(2)得到所需繞制的圈數為1 308圈，繞制1 308圈后實際測量繞制電阻的阻值在室溫時為58.5 Ω。

器件包括管形塑料(做骨架)、漆包線銅電阻絲、引線。使用二線制接法,分別焊接一根8 cm的導線,將銅熱電阻套上保護套管,用環氧樹脂進行封裝,待完全風干之后銅熱阻制作完成,再次測量其阻值為60 Ω。

2 熱電阻測溫線路的設計

利用直流電橋非平衡測量法[6]測量銅熱電阻變化,其橋路如圖1所示。圖中Rx1為應變電阻,R2、R3、R4為具有相同固定阻值的電阻,令Rx1、R2、R3、R4的初始阻值都為R,則B、D兩點間輸出電壓Uo為

(3)

中,ΔR表示應變電阻Rx在溫度變化時電阻值的變化量。

圖1 單臂電橋

設計使用+4 V直流電源作為橋式電路的供電電源,R2、R3、R4均使用180 Ω的固定電阻,而為保持Rx1、R2、R3、R4的初始阻值相同,則將Rx1設計成一個可以調節阻值的電位器與銅熱電阻Rx相串聯的形式。實際應用時只需調節電位器,使得圖1所示電路B、D兩點輸出電壓為0,使電橋處于平衡狀態。此時將銅熱電阻Rx放入加熱爐中加熱,B、D兩點之間即可輸出電壓,只不過由于式(3)中ΔR的值遠遠小于R,會導致B、D之間輸出電壓值非常小,所以需要放大環節對電橋輸出電壓進行放大以便于后續工作。本設計的銅熱電阻處于0～99 ℃時其阻值變化均會遠遠小于180 Ω,所以制作的銅熱電阻傳感器的溫度測量范圍可達0～99 ℃。

3 信號放大電路的設計

由于單臂電橋輸出的是毫伏級電壓信號,為便于后續工作需要將其進行幾百甚至上千倍的放大,而且放大倍數能夠調節。綜合考慮以上要求,制作一個儀用放大器,根據需要調節放大倍數[7]。

4 電壓采集系統的設計

電壓采集系統由A/D轉換電路和數碼管顯示電路組成。采用ADC0832芯片[8]實現單路A/D轉換；采用ADC0809芯片與STC89C52RC單片機最小系統及其他外圍電路組成采樣電路,使用中斷方式進行A/D轉換,實現采集多路電壓信號功能[9-10]。

5 模擬加熱爐系統的設計

本部分所設計模擬加熱爐系統可以對環境溫度進行實時的測量及顯示,可以通過按鍵設置所需溫度的上限值與下限值,從而把溫度值控制在一定范圍。當傳感器采集到的溫度值高于溫度上限時,觸發報警裝置的同時啟動風扇進行散熱；當傳感器采集的溫度低于溫度下限時,系統觸發報警裝置的同時啟動加熱管進行加熱,從而達到模擬加熱爐進行自動控溫的目的。此外該系統還可以掉電保存已設置的數據[11-12]。

6 實驗結果分析

學生制作的熱電阻傳感器和電橋模塊見圖2，信號放大電路模塊見圖3，電壓采集模塊見圖4，模擬加熱爐見圖5。

圖2 熱電阻傳感器和電橋

圖3 信號放大模塊

圖4 電壓采集模塊

圖5 模擬加熱爐

用模擬加熱爐對燒杯內水進行加熱,調節信號放大電路的放大倍數,得出加熱爐溫度與電壓的對應關系數據見表1,表中同時列出各溫度下理想電壓值及相應實測電壓的誤差。

表1 溫度與顯示電壓對應表

由表1可知，設計的銅熱電阻溫度傳感器的誤差小于6%。首先是銅熱電阻的引線比較長會引起誤差,其次模擬加熱爐系統并不能將溫度值控制在某個值，而是將溫度值控制在一定范圍內從而造成采集數據的誤差,此外還有數據處理的誤差。可以在電壓采集系統中添加一部分程序使得將電壓采集數據除以0.95,再進行顯示,這樣就會大大減小誤差。進行誤差處理后的環境溫度與顯示電壓的關系見表2。

表2 校正后的溫度與顯示電壓對應表

電壓與溫度的函數關系曲線見圖6,進行最小二乘擬合,得到:

圖6 電阻傳感器的顯示電壓與溫度的關系曲線

7 結語

設計了能夠自動測溫的銅熱電阻傳感器,包括銅熱電阻傳感器及模擬加熱爐都是基于51單片機,包括軟硬件設計、制作和調試,最終實現了以下功能：

(1) 銅熱電阻傳感器可以實時測量、顯示0～99 ℃的溫度值,設計簡單；

(2) 模擬加熱爐系統可以實現手動設置溫度值的上下限，從而將溫度值穩定在所需范圍,此外還有溫度報警以及掉電保持功能，模擬加熱爐還可以根據需要稍作改進從而成為其他用處的溫度控制器。

References)

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[4] 張妍,蘇煜飛.溫度傳感器的研究與應用[J].現代制造技術與裝備,2016(5):143.

[5] 田炳麗,胡超,丁風雷.一種提高Pt1000鉑電阻測溫精度的新方法[J].機電工程,2013,30(5):603-605.

[6] 牟春陽,李世中.基于鉑電阻的單片機溫度控制系統[J].河北農機,2015(1):57-59.

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[8] 張智軍.小型恒溫箱溫度檢測控制系統設計[J].工業儀表與自動化裝置,2012(4):93-96.

[9] 李家榮.基于單片機控制的大棚溫濕度監控系統的設計[J].江蘇農業科學,2016,44(8):424-427.

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[12] 陳永健,王晨.單片機在太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制器的應用與研究[J].電子世界,2016(20):193，195.