《電子技術應用》
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基于PIC18F258的全自動熱敏電阻測試儀
摘要: 隨著傳感器技術的不斷進步,熱敏電阻的理論研究和應用開發(fā)已取得了引人注目的成果。作為生產(chǎn)過程的最后一個環(huán)節(jié)的熱敏電阻測試,提高其檢測效率,必然會縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時間,并降低生產(chǎn)成本,使熱敏電阻的應用更加廣泛。
Abstract:
Key words :

  引言

  熱敏電阻作為一種常用的溫度傳感器廣泛應用于消費電子、工業(yè)控制、通信、航空等領域。在熱敏電阻的生產(chǎn)過程中,電阻的性能測試和標定環(huán)節(jié)非常關鍵。本文設計了一種能夠實現(xiàn)對熱敏電阻性能進行自動測試和分析的儀器——熱敏電阻測試儀,它能夠同時對十五個熱敏電阻進行性能測試,在測試過程中,用戶可以通過上位機界面來控制測試中的溫度范圍及溫度間隔。得到測量數(shù)據(jù)后,用戶可以通過Excel表格程序繪制各個電阻的熱溫曲線,從而可以很容易識別出次品電阻。該儀器縮短了對熱敏電阻進行檢測的平均時間,提高了廠家的生產(chǎn)效率。

  測量的基本原理

  對熱敏電阻進行測試需要將其放入恒溫箱中進行,本測試儀也需要對恒溫箱中的溫度進行測定,才能根據(jù)不同的溫度測定熱敏電阻的阻值。在恒溫箱溫度測量過程中,采用鉑電阻PT1000作為傳感器,將溫度轉化為電壓進行模數(shù)轉換。模數(shù)轉換過程主要使用24位低噪聲可編程模數(shù)轉換器,它內部采用Σ-Δ轉換技術,A/D采集的數(shù)據(jù)有效位數(shù)可達14位左右,從而使得對溫度的分辨精度達0.05度。在這種情況下,熱敏電阻測試過程中的溫度間隔比較小,為熱敏電阻的精細測量奠定了良好的基礎,同時也進一步拓寬了本儀器的使用范圍。

  恒溫箱溫度的采集

  在熱敏電阻的測量過程中,精確采集恒溫箱的溫度至關重要。對熱敏電阻進行精確測量的前提條件是能夠高精度、高分辨率地檢測溫度值。對恒溫箱溫度的采集由圖1所示的電路原理圖實現(xiàn)。

  

  在電路當中,電壓源的電壓由AD公司生產(chǎn)的精密電壓源AD780提供,其輸出電壓為2.5V±1mV,溫度系數(shù)為5ppm。精密電壓源的引入為精確的測量溫度提供了良好的基礎。溫度傳感器選用鉑電阻PT1000,它在0~100℃范圍內線性度好,靈敏度較高,溫度系數(shù)為0.4%,適于表面或狹縫測溫使用。電阻R0選用阻值為1.5kΩ±0.05%的高精度電阻,其溫度系數(shù)達5ppm。鉑電阻PT1000在溫度為―50℃~100℃之間線性度較好。因此,該測試儀的測溫范圍在―50℃~100℃之間。

  熱敏電阻阻值的測量

  測量熱敏電阻阻值的電路原理與測量恒溫箱溫度的原理相似,如圖2所示。圖中,電壓源是由LM317組成的可調電壓源,大小為3.8V,R1至R19為2kΩ的高精密電阻器,溫度系數(shù)(TCR)為15PPM。下部電阻RX1至RX19為待測的熱敏電阻。兩電阻的連結點AIN1到AIN19的電壓被送往AD7731的電壓輸入端。當下部的熱敏電阻阻值隨溫度發(fā)生變化時,AINX點的電壓也隨之改變,通過它可以測得阻值的變化情況。

  

  下位機部分

  硬件部分

  熱敏電阻測試儀的硬件部分包括六個功能模塊,硬件框圖如圖3。各模塊功能簡述如下:

  

  ·電源電路:提供模擬+5V電源、數(shù)字+5V電源及+8V電源

  ·電壓源電路:為AD7731提供+2.5V高精度參考電壓,為數(shù)據(jù)采集電路提供+5V電壓源。

  ·數(shù)據(jù)采集電路:將電阻值轉化為相應的電壓,傳送到AD7731的數(shù)據(jù)采集引腳進行模數(shù)轉換。實際的數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

  

  圖中,左側部分為電阻值數(shù)據(jù)采集電路,它和中間的保護電路共同將熱敏電阻阻值轉化為電壓。右側是對恒溫箱溫度進行測量的電路,它將2.5V電壓通過鉑電阻PT1000和一個阻值為1.5kΩ的高精度電阻進行分壓后送入AD輸入端。

  ·模數(shù)轉換電路:由四片AD7731芯片組成,對20路模擬輸入進行采集,采集結果送入單片機。AD7731是美國ADI公司開發(fā)的具有低噪聲、高通過率等特性的∑-Δ模數(shù)轉換器。它可直接接收來自傳感器的輸入信號,適合于測量具有廣泛動態(tài)范圍的低頻信號,可廣泛應用于應變測量、溫度測量、壓力測量及工業(yè)過程控制等領域。在測試儀中AD7731芯片的主要任務是采集數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送給單片機。具體的連接方式如圖5。

  

  模擬輸入和參考輸入都是差模信號,加到模擬調制器上的電壓是共模電壓,而AD7731較好的共模抑制比能有效去除輸入端的共模噪聲。數(shù)字濾波器可有效去除電路板上供電電壓的噪聲。因此,AD7731芯片比傳統(tǒng)的高精度轉換器具有更強的抗干擾能力。但是,由于AD7731的分辨率非常高,因此在設計PCB電路板時,要十分注意屏蔽層設計和元件布局的位置關系。

  ·PIC單片機及串口通信模塊:控制AD7731芯片完成數(shù)據(jù)采集,并將接收到的數(shù)據(jù)通過RS232串行口發(fā)送到上位機。電路中有關單片機和串口通信的電路如圖6所示。

  

  圖中,MAX232芯片負責完成TTL電平到RS232電平的轉換,以便單片機和PC機之間能夠正常通信。在本測試儀中,RS232串行口的通信速率采用9600bps,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校驗。

  軟件部分

  熱敏電阻測試儀下位機軟件主要完成兩項任務:

  ·通過SPI總線控制AD7731芯片進行數(shù)據(jù)采集,并將采集到的數(shù)據(jù)讀入本機內部。

  ·正確配置串口通信模塊,按協(xié)議規(guī)定的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

  具體操作流程如圖7所示。其中,SPI和USART都屬于單片機內部模塊,只需對模塊的相關寄存器進行設定即可,而對于AD7731芯片的控制則需要通過SPI模塊間接進行。

  

  上位機部分

  微軟公司出品的Visual Studio 6.0是常用的編程工具,熱敏電阻測試儀的上位機軟件用該工具編寫。上位機程序的主要功能是接收從下位機通過RS232發(fā)送來的A/D轉換數(shù)據(jù),對其進行處理,并將處理完成后的結果填寫到Excel表格中,供用戶進行處理。在數(shù)據(jù)處理過程中采用了KALMAN數(shù)字濾波器,進一步提高了溫度的測量精度。系統(tǒng)通過OLE自動化技術將數(shù)據(jù)填寫到Excel工作表中,如果用戶對數(shù)據(jù)有進一步要求,可自行對數(shù)據(jù)進行處理。程序可滿足不同用戶的需求。

  測試儀的上位機界面簡明,用戶操作簡單。其主界面如圖8所示。

  

  在主界面的上部有四個按鈕控件分別為:開始、停止、設置和幫助。

  開始按鈕:按下后,可啟動對微軟通信控件產(chǎn)生的OnComm消息的處理程序,啟動Excel模板文件mytest.xlt,以供顯示數(shù)據(jù)使用。

  停止按鈕:停止對OnComm消息的處理程序,刷新下部狀態(tài)欄的顯示數(shù)據(jù)。

  設置按鈕:實現(xiàn)對溫度的校準、測量范圍測量間隔的設置、測試儀內部參數(shù)的設置。在對內部參數(shù)進行設置時,要先輸入密碼,以防止對校準數(shù)據(jù)進行誤操作。

  在參數(shù)設置界面中可以對溫度、測量范圍、內部參數(shù)進行設定。之后數(shù)據(jù)被寫入文件,再次啟動程序時所設定的參數(shù)會被自動讀入。

  幫助按鈕:啟動幫助文件。在幫助文件中對軟件的操作進行詳細說明。包括硬件的連接、操作規(guī)程等。

  結語

  隨著傳感器技術的不斷進步,熱敏電阻的理論研究和應用開發(fā)已取得了引人注目的成果。作為生產(chǎn)過程的最后一個環(huán)節(jié)的熱敏電阻測試,提高其檢測效率,必然會縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時間,并降低生產(chǎn)成本,使熱敏電阻的應用更加廣泛。

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