新型热敏电阻特性曲线测定系统

　　方案论证与比较

　　加热方法方案论证

　　方案一、采用水热法进行加热，这是原系统的加热方法，加热不均匀，加热不易控，水洒在实验室很容易造成安全事故。

　　方案二、采用涡流加热器进行加热，加热可控度最好，安全，但价格过高。

　　方案三、采用软铁进行加热，加热可控，安全，且价格低廉。

　　通过比较，同时结合本实验系统要求并不十分严格，选择方案三。

　　单片机选择方案论证

　　方案一、采用51单片机，这是目前市场上最通用的单片机，价格最低廉，但容易受到外部干扰，不适合本系统的加热环境，且使用较为麻烦，没用内部AD，需要外部扩展元件较多。

　　方案二、采用ARM单片机，这是一种高端单片机，适合处理数据计算量大的系统，因此对本系统用处不大，且这种单片机也易受外部干扰，价格过高。

　　方案三、采用AVR单片机，这是先进的低端单片机，使用简单，有自带10位AD，受外部干扰很小。价格适中。同时它还具有其它众多优点。AVR单片机的单周期指令能够保证高的执行效率和低成本， AVR单片机可以提供高达16MIPS的执行时间，具有128K字节的可编程Flash存储器，同时具备4096字节的静态RAM。AVR单片机自带看门狗定时器，在强烈的电磁干扰条件下可以防止程序跑飞。内部包含有硬件乘法器，加快乘法运算速度;I/O端口引脚数多达32根。

　　通过比较，选择方案三。

　　电阻测量方案论证

　　方案一、采用内部AD，通过伏安法，分别直接测量元件两端电压及电流，这种方法简单容易实现，但精度很低，且由于电流较大，容易对单片机造成损害。

　　方案二、采用H桥法，这种方法精度高，但电路复杂，且难以用单片机实现，不易控制。

　　方案三、采用稳压电源提供合适的电压，再串联标准电阻分压，再通过单片机内部AD测量元件的电流，从而获得元件的阻值。这种方法容易实现，精度较高，安全可靠。

　　方案四、采用稳压电源提供合适的电压，再串联标准电阻分压，再通过单片机内部AD测量元件的电压，从而获得元件的阻值。具有方案三的各项特点，同时由于AVR单片机对电压测量比电流测量更加简单精确，因此精度更高。

　　通过比较，选择方案四。

　　系统设计

　　热敏电阻特性曲线测试系统(图1)包括下列部分：

　　1、以功能强大的AVR单片机为核心控制部件;

　　2、利用PWM和温度传感器传回的温度信息对加热部件进行控制;

　　3、通过温度传感器(18b20)测量温度，并实时对加热环境进行监控;

　　4、设计高稳压电源，利用标准电阻分压及内部A/D方法进行间接电阻测量;

　　5、通过LED进行数据信息显示。

　　                                       图1 总体框架图

　　稳压电源模块电路设计

　　由于我们通过标准电阻分压法测量待测电阻，因此需要高稳压电源。

　　通过变压、整流和RC电路把交流220v市电变为小电压直流稳压，再接入1117稳压芯片输出高稳压电源。1117输出电压可精确调节，见图2。

　　                         图2 电源电路图

　　温度测量模块电路

　　温度传感器18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号(以十六位补码形式，占两个字节)，输出引脚I/O直接与单片机的I/O相连，传感器采用外部电源供电。AVR单片机是整个装置的控制核心。显示器模块由四位一体的共阳数码管组成。系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分，传感器控制程序是按照18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。CPU对18B20的访问流程是：先对18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。温度测量电路示于图3。

　　                                图3 温度测量电路

　电阻测量模块电路

　　我们采用单片机内部ADI测量待测材料电压的方法来间接测量其阻值。具体方法为：利用外部稳压电源给待测材料和标准电阻的串联电路提供8伏直流电压。这样在已知标准电阻阻值R0和测得的待测材料电压U的情况下就可求出待测电阻阻值Rx：

　　Rx=R0×U/(8-U)

　　应该注意，单片机内部A/D只能测量不超过VCC的电压，因此在本电路(图4)中，待测材料最大可测阻值不超过R0×5/8。若要让可测阻值范围增大，可以加大标准电阻阻值。但同时精度也会降低，因此要根据需要选择合适的最低阻值的标准电阻。

　　                           图4 电阻测量模块电路

　　加热模块电路

　　采用稳压PWM和光耦合技术来控制加热速度，使待测电阻材料在合适的时间内加热到预定温度范围。加热速度控制在20到30分钟内上升100摄氏度是合适的。在其他特殊情况下，也可以通过PWM来调节加热速度加热电路示于图5。

　　                             图5 加热电路设计

　　软件设计

　　主程序设计

　　由于处理器速度较快,所以采用c语言编程方便简单。软件流程图示于图6、图7和图8。

　                                 　图6 主程序流程图

　　                  图7 18b20测温程序流程图

　　                 图8 电阻测量程序流程图

　　系统测试

　　测试工具：标准热敏电阻

　　测试方法：利用本系统测得标准热敏电阻材料的热敏特性曲线。与标准热敏电阻的标准特性曲线进行比较。实验表明，在一定温度范围内，半导体材料的电阻RT和绝对温度T的关系可表示为，两边取自然对数、得到：ln RT=b/T+C。若以自变量1/t为横坐标，ln RT为纵坐标，则上式图象基本是一直线。得到特性图示于图9。

　　由图9可看出，特性曲线基本为直线，由于任何热敏电阻都不可能在大温度范围内保持线性性，在误差允许范围内，系统测试成功。

　　结语

　　由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标：

　　·可满足热敏电阻特性曲线测试要求;

　　·可实现自动控制与处理，提高实验精度;

　　·安全性能明显提高。