基于單片機技術的熱電阻溫度傳感器設計

楊 兵，張 彤，趙苗慧，雒少哲，余智偉

（西京學院，陜西 西安 710123）

0 引言

隨著現代社會的迅速進步，各個領域對溫度的實時監控要求逐漸廣泛。根據傳感器市場報告，溫度傳感器在所有傳感器中占比最大，被廣泛地應用于農業生產、科學研究等重要領域。因此，一個能夠實時監控溫度并且操作簡單的溫度測量產品對工業生產和日常生活具有重大意義。有關專家指出，各國會對溫度傳感器進行深入研究，以加速新型溫度傳感器的開發，從而使得傳感器在高精技術中更好地發揮作用，增強運行能力[1]。

基于上述背景，本文將設計一款熱電阻溫度傳感器，以單片機作為主要核心，溫度信號的測控及采集均由單片機系統自行完成[2]。本設計的優點是讀數方便，測量溫度范圍廣，可對溫度設置閾值。若超出閾值，系統能自動發出報警蜂鳴。

1 傳感器設計

1.1 傳感器設計方案

溫度傳感器由溫度敏感元件熱電阻、熱電阻保護套、鍍銀特制導線、絕緣陶瓷管、固定螺帽、信號引出線以及接線端子組成。熱電阻保護套和固定螺帽將保護熱電阻以及固定熱電阻。導線固定支架座保護導線，防止損壞。將熱電阻裝到保護套中，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量需測量的物理量，再將數據傳送給轉換元件，轉換元件將數據轉換為電腦能識別的信號從而完成信息采集過程，如圖1所示。

圖1 傳感器組成

2 系統總體設計方案

本設計是利用鉑電阻制成溫度傳感器，傳感器將溫度的變化值轉換為電阻的變化值，再經過模數轉換輸送到單片機中。單片機將采集到的數據進行處理后輸出給顯示電路。如果溫度不在閾值內，報警電路發出報警。按鍵電路可以對溫度的閾值進行設置。整個系統的電路由5個部分組成，如圖2所示。

圖2 總設計方框

3 溫度測控系統設計

3.1 溫度檢測模塊設計

（1）溫度測量范圍大約在-200 ℃到+850 ℃之間。

（2）測量的時候，響應時間小于30 s。

（3）測量溫度時，探頭插入深度應大于200 ms，以保證準確性。

（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系：第一，-200 ℃＜t＜0 ℃時，RRt=100×[1+At+Bt2+Ct3×(t－100)]；第二，0 ℃＜t＜850 ℃時，RRt=100×(1+At+Bt2)。

3.2 溫度檢測及信號處理電路設計

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

3.3 模數轉換模塊設計

模數轉換部分使用ADC0809轉換器。它是一種8位逐次逼近型A/D轉換器。ADC0809內部自帶輸出鎖存器，能與單片機直接相連[4]。模數轉換在此設計中起橋接作用，傳感器和單片機中的所有數據轉化都要用到轉換電路。

4 系統外圍硬件電路

（1）顯示電路：LCD1602是工業上和生活中最常用到的液晶顯示器，能把數字、字母、標點符號實時顯示。

（2）振蕩電路：單片機有兩種時鐘方式，本設計只有一個單片機作為控制系統，所以采用內部時鐘方式。

（3）復位電路：復位電路采用的是組合方式。這樣就能實現自動復位和按鍵復位的雙重操作。

（4）報警電路：當溫度數據脫離閾值之后，單片機會產生一定頻率的脈沖，外接一只三極管來驅動揚聲器發出聲音，從而達到報警目的。

（5）鍵盤電路：設計采用3個按鍵來進行操作，3個按鍵各有作用，第一個按鍵作用是選擇設置溫度上下閾值，第二個和第三個按鍵作用是對上下溫度閾值加或減，從而實現手動設置報警范圍。

5 結語

本設計為一個熱電阻溫度傳感器，以單片機系統為核心，實現對溫度的實時測量。本設計利用PT100溫度傳感器對溫度進行檢測；采用模數轉換器ADC0809進行數據轉換，同時外加報警系統。當顯示溫度不在溫度閾值內時，單片機所連接的報警器會發出報警，達到對溫度的實時監控效果。本設計具有較高穩定性，測量溫度范圍廣泛，測量精度較高，使用極為方便，大大提高了經濟效益。