热敏电阻测温电路设计

电子设计大赛论文（B组）热敏电阻测温电路设计第三十组K3队组队成员：顾代辉黄龑罗程2010年5月23日摘要：科技发展，很多工业化的生产都需要温度测量，这使得温度测量仪器变成一个很重要的东西。

下面我们将题目所给的温度测量电路进行分析和改动设计。

题目所给图是一个在工业场合的温度测量系统，采用RTD 电阻温度检测器。

通过分析可知，ref R 两端分到的电压即为ref V ,Vo3输出的电压即为NTC 两段分到的电压。

而要求我们设计的电路所用的是NTC 负温度系数热敏电阻器。

题目要求我们将电流产生电路的电流控制在0.1m A 。

这里我们简单的将ref R 改成25k 。

对于滤波电路，我们设计各个参数使得其截至频率在100Hz 左右，就能滤掉1000HZ 的干扰信号；对于基准源，我们都用基本的连接方法，输出电压为2.5V ；对于稳压管，输出电压为恒定的5V ；对于串口连接，我们用到MAX232芯片其中一个接口，与单片机的RXD/TXD 连接传输数据。

关键词：温度传感器 AVR 串口显示I ．电路分析（1）电流产生电路分析：首先对于运放A1，由虚短和虚断，可知111211120V V II === 有：11212210O V V V R R --= 可解得：1121122=O V V V =即第一个运放功能为将信号放大两倍。

对于运放A2,同理，有212221220V V I I ===有:221O V V =可见，运放A2是一个电压跟随器。

又：24211234()2REF O REF O O V V R V V V V R R -⨯+=+=+ 11122O REF O V V V V ==+故：REF R 两端分到的电压为122R O REF REF O O REF V V V V V V V =-=+-=由此可见：REF R 两端分压恒为基准电压REF V ，只要基准电压和REF R 的值不变，则通过REF R 的电流REF REF V I R = 2.512.5mA k==为恒定值，该电路的作用为产生恒定电流。

由于3233p n V V V ==，故Rline 和R6相当于并联，66'1001R R I I Rline ==，故100'101I I I =≈ 故可认为恒定电流I 都通过热敏电阻RTD 。

运放A3以及NTD 分析：由叠加法分析，当31V 接地时，033131317100'6100R k V V V V R k=-=-=- 当32V 接地时，03323276100100''26100R R k k V V V R k++=== 故0303033231'''2V V V V V =+=- …………………… ①而32()'RTD V Rline R I =+⨯ …………………… ②31(2)'RTD V Rline R I =+⨯ …………………… ③将②和③代入①得03'RTD RTD V R I V =⨯=即03V 为RTD 两端端电压，与Rline 的值无关，故Rline 不影响测温精度。

二阶有源低通滤波电路：采用s 域模型 101111O VF P V R R A V R +==…………………… ④ 921p A p V V V R sC -= ，即921A p V V sR C =+…………………… ⑤ 对于A V 节点，应用KCL 可得3189()0o A A P A O V V V V V V sC R R -----=…………⑥ 联立④⑤⑥得传递函数：128920318282912891()1111[(1)]VF o VF A V C C R R A s V s A s C R C R C R C C R R ==+++-+=222VF C C C A w w s w Q ++ 其中12891C w C C R R =为截止角频率，Q 为品质因数 若8R =9R =R ， 1C =2C =C 则传递函数化为203()1(3)()o VF VF V A A s V A sCR sCR ==+-+1C w RC =，13VFQ A =- 截止频率2C C w f π=则22222()VF C O C C C C A w A A s w w s w s w Q Q==++++ 用s=jw代入上式得该滤波电路的幅频相应函数为：()120lg ||20lg o A jw A = 相位响应函数为：2/()()arctan1()C C w w Q w w w ϕ=-- 由于温度变化不会很快，所以热敏电阻的电压的频率不会很大，该电路能滤掉高频干扰信号，取适当的电阻电容值就能实现功能，例如让品质因数Q ≈0.707，截止频率C f ≈100Hz, 频率大于C f 时幅频相应函数斜率为-40dB/十倍频程，即可滤掉1kHz 的干扰信号。

（2）AD 转换器原理：输入电压首先与D/A 器输出电压2REF V 相比较，若2REF O V V ≥/2，比较器输出为1，若2REF O V V ≤，比较结果存于数据寄存器的Dn-1位。

移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。

如最高位已存1，则此时o V =34REF V 。

于是1V 再与34REF V 相比较，如134REF V V ≥，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则04REF V V =/，与O V 比较，如14REF V V ≥，则 Dn-2位存1，否则存0……。

以此类推，逐次比较得到输出数字量。

由AD 转换原理可知：AD 输出的二进制数的值为：22n n o RTD REF REFV V D V V =⨯=⨯…………………… ⑦ （n 为AD 的位数）REF REFV I R =…………………… ⑧'RTD RTD RTD V I R I R =⨯=⨯…………………… ⑨ 由⑦⑧⑨得：22n n RTD REF RTD REF REF REFR V R D R V R ⨯=⨯=⨯⨯ 由此可得：由AD 输出的数字信号与REF V 无关，当REF V 发生微小变化时，不会对输出数字信号产生影响，所以AD 转换器的基准源与电流产生电路使用同一个基准源有利于温度测量的稳定。

II ．电路设计依据所给电路进行适当改进：1. 改变REF R 使电流产生电路的输出电流为0.1mA ；2. 热敏电阻RTD 改为NTC ；3. 运放A3正的输入端加上一个平衡电阻，使输出电压Vo3为更精确地等于热敏电阻两端的电压；4. 使用AVR 单片机的AD ，Vo 直接输入到单片机的PA0脚。

一、5V 稳压源的设计该电路使用7805芯片，电源有12V 提供，输出一个稳定的电压Vout=5V 。

二、基准源REF V 的设计：对给定的基准源，我们做出以下设计电路图，可得到基本稳定的2.5V 基准电压。

图中，Vbatt=5V ，R=1k ，故Vo=REF V =2.5V 。

三、电流产生电路设计：把Rref 改成25k Ω，用20 k Ω和一个10 k Ω电位器的组成，调节电位器，使总电阻Rref=25 k Ω由I ．电路分析可知，分在REF R 上的电压即为REF V ，我们所用基准源电压为2.5V ，故要当REF R =25k Ω时即滑动变阻器为5k Ω时能使I=0.1mA 。

四、NTC 的电路连接设计：NTC 电路模块根据I ．电路分析可知，Vo3相对于地的电压即为NTC 两端的电压，输出能够表示温度传感器的电压值。

另外，对于运放A3，由于n 、p 两输入端的输入电阻相差较大，对于电路的放大作用会产生很大误差，为了平衡两输入端电阻，我们加一个平衡电阻Rb ：（如下图:）n 端输入电阻： 676750n R R R R R ⨯==+K 而p 端输入电阻为：1p line R R =≈K 49b n p R R R =-≈K此处我们取Rb=51K五、滤波电路的设计：为得到较好的幅频相应波形，令品质因素Q=0.707。

放大倍数：101111O VF P V R R A V R +===2033 1.59433+=品质因数：13VFQ A =-≈0.707 为了滤掉1kHz 的干扰信号，取截止频率2C C w f π==RC π21约为100Hz ，选电容C=1C =2C =0.33uF ，由f c =RCπ21算出R=4.85k Ω,取R=9R =8R =4.7k Ω 则截止频率: 1C w RC ==31644.754.70.3310-=⨯⨯ 2C C w f π==644.75102.672Hz π=⨯ 对于测温现场可能有1000HZ 的干扰信号，该滤波器的参数所能滤掉的信号频率为102.67C f Hz =，频率大于C f 时幅频相应函数斜率为-40dB/十倍频程，可以滤掉1kHz 的干扰信号。

以下是multism11对该滤波电路传递函数的仿真由光标显示看出当频率为1kHz时输出幅度约为0Hz时的十分之一。

六、单片机串口电路设计MAX32可接两个串口，我们这里只用到一个串口1。

从T1out和R1in输入，从T1in 和R1out输出对应接入单片机的TXD和RXD接口。

所接方法如图所示：七、单片机外接电路设计如图为单片机的外围电路。

使用内部8MHz时钟，故未连外部晶振。

连接RESET的为复位电路，RXD和TXD连接串口电路输出。

VCC（电源正极）和AVCC（模拟信号正极）均连接5V稳压电源。

AD输入我们使用PA0（ADC0）口。

AREF 为AD 参考电压，与电流产生电路使用同一个基准源，使信号转换不随基准源的变化而变化。

Ⅲ、实验结果下面我们以一个特定的值来分析：由以上电路连接我们可以测得NTC 两端的电压为：Vntc=0.354AD 的输入（即最后一个运放的输出）为：Vo4=0.575 其比例40.575 1.620.354O NTC V A V ==≈ 与运算所得到的Af=1.59很接近。

在单片机里面的处理也将信号放大了两倍，故显示的电压值应该为Vo4的两倍。

这里显示电压为1146Mv ，1.1461 1.990.575A =≈ 由此说明，实验所得到的数据与理论数据是符合的，电路连接及元件的使用时正确的。

从总体实验结果显示，我们所测量的温度已电压的形式显示出来，达到了一个较好的效果。

但是，由于在相近的两个显示值之间电压值变化比较大，使得他的值在不断的波动。

误差分析：这是由于电路不稳定造成的，我们连接时将元件的位置放得太紧密，电路中可能存在不定的电容量或者电阻量，所以这种误差量的存在性更大，这需要对元件进行检查，并且对元件连接的各个电路检查。