1、電子設(shè)計大賽論文B組熱敏電阻測溫電路設(shè)計第三十組K3隊組隊成員：顧代輝黃H羅程2021年5月23日摘要：科技開展,很多工業(yè)化的生產(chǎn)都需要溫度測量,這使得溫度測量儀器變成一個很重要的東西.下面我們將題目所給的溫度測量電路進行分析和改動設(shè)計.題目所給圖是個在工業(yè)場合的溫度測量系統(tǒng),采用RTD電阻溫度檢測器.通過分析可知,Ref兩端分到的電壓即為Vref,Vo3輸出的電壓即為NTC兩段分到的電壓.而要求我們設(shè)計的電路所用的是NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻器.題目要求我們將電流產(chǎn)生電路的電流限制在0.1mA.這里我們簡單的將Rref改成25k.對于濾波電路,我們設(shè)計各個參數(shù)使得其截至頻率在100Hz左右,就

2、能濾掉1000Hz的干擾信號；對于基準源,我們都用根本的連接方法,輸出電壓為2.5V;對于穩(wěn)壓管,輸出電壓為恒定的5V;對于串口連接,我們用到MAX23無片其中一個接口,與單片機的RXD/TX睡接傳輸數(shù)據(jù).關(guān)鍵詞：溫度傳感器AVR串口顯示(1)電流產(chǎn)生電路分析：首先對于運放A1,由虛短和虛斷,可知V|1V12I11I120有:VoiV12R2V120Ri可解得：Voi2V2=2Vi即第一個運放功能為將信號放大兩倍.對于運放A2,同理,有V21V22I21I220有：V02V21可見,運放A2是一個電壓跟隨器.又:(VrefV02)R4VrefVo2R3R4V012V11VrefV02故：rre

3、f兩端分到的電壓為VrVoiVrefVrefVO2Vo2Vref由此可見：RREF兩端分壓恒為基準電壓Vref,只要基準電壓和RREF的值不變,那么通過rref的電流IVREFRREF2.52.5k1mA為恒定值,該電路的作用為產(chǎn)生恒定電流.由于V32V3PV3n,故Rline和R6相當于并聯(lián),U4變,故I'嗎Ir6Rline1101故可認為恒定電流I都通過熱敏電阻RTD運放A3以及NT防析：由疊加法分析,當V31接地時,V'03當V32接地時,v"v0317V31R6R7R6R6100kV31V31100k100k100k、,V322V32100k故V03V'

4、;03032V32V31而V3232(RlineRrtd)I'(2Rlinerrtd)I'將和代人得V03Rrtd即V03為RTD兩端端電壓,與Rline的值無關(guān),故Rline不影響測溫精度.二階有源低通濾波電路:ClR8VR9sC2V0R9(VaVo)sC1VaVpVoVpR0RR1KCL可得Vo3VARsVs&C采用s域模型Vp1,即Vp-1對于Va節(jié)點,應(yīng)用聯(lián)立得傳遞函數(shù):A(s)V0-V03s2A/FC1C2RR9其中GRC2R(1A/F)C2R9sCGRRA/FWC2Wc2swCQWc,C1C2R3R91,-,為截止角頻率,Q為品質(zhì)因數(shù)C1=C2=C那么傳遞函

5、數(shù)化為A(s)V0V03A/F1(3A/F)sCR(sCR)23Avf截止頻率fCAo22Wc2SWcQ那么A(s)AvfWc一2Wc2SWcQ用s=jw代入上式得該濾波電路的幅頻相應(yīng)函數(shù)為:20lg|A|20lgAo1(w)22(Wn)2wCwCQ相位響應(yīng)函數(shù)為：warctanw/(wCQ)1()2WcCW0.707,截止頻率fC由于溫度變化不會很快,所以熱敏電阻的電壓的頻率不會很大,該電路能濾掉高頻干擾信號,取適當?shù)碾娮桦娙葜稻湍軐崿F(xiàn)功能,例如讓品質(zhì)因數(shù)100Hz,頻率大于fc時幅頻相應(yīng)函數(shù)斜率為-40dB/十倍頻程,即可濾掉1kHz的干擾信號.(2)AD轉(zhuǎn)換器原理：輸入電壓首先與D/A器

6、輸出電壓V相比擬,假設(shè)VOY/2,比較器輸出為1,假設(shè)VOVREF,比擬結(jié)果存于數(shù)據(jù)存放器的Dn-1位.移位存放器的次高位置1,其他低位置0.如最高位已存1,那么此時V0=3/4Vref.于是V1再與3/4Vref相比擬,如V3/4Vref,那么次高位Dn-2存1,否那么Dn-2=0;如最高位為0,那么V.Vref/4/,與V.比擬,如VVref/4,那么Dn-2位存1,否那么存0.以此類推,逐次比擬得到輸出數(shù)字量.由AD轉(zhuǎn)換原理可知：AD輸出的二進制數(shù)的值為:D2nVo2nVRTDVREFVREFn為AD的位數(shù)VREFRrefVRTDIRRTDI'RRTD由得：D2nRrtdVref

7、2nRRTDRrefVrefRref由此可得：由AD輸出的數(shù)字信號與Vref無關(guān),當Vref發(fā)生微小變化時,不會對輸出數(shù)字信號產(chǎn)生影響,所以AD轉(zhuǎn)換器的基準源與電流產(chǎn)生電路使用同一個基準源有利于溫度測量的穩(wěn)定.II.電路設(shè)計依據(jù)所給電路進行適當改良：1 .改變Rref使電流產(chǎn)生電路的輸出電流為0.1mA;2 .熱敏電阻RTD改為NTC3 .運放A3正的輸入端加上一個平衡電阻,使輸出電壓Vo3為更精確地等于熱敏電阻兩端的電壓；4 .使用AVR單片機的ADVo直接輸入到單片機的PA0腳.一、5V穩(wěn)壓源的設(shè)計12VTU?Vout=5VIXOUTGNDMC7S05ACT7GND該電路使用7805芯片,

8、電源有12V提供,輸出一個穩(wěn)定的電壓Vout=5V.、基準源Vref的設(shè)計：對給定的基準源,我們做出以下設(shè)計電路圖,可得到根本穩(wěn)定的2.5V基準電壓.圖中,Vbatt=5V,R=1k,故Vo=VREF=2.5V.三、電流產(chǎn)生電路設(shè)計:把Rref改成25kQ,用20kQ和一個10kQ電位器的組成,調(diào)節(jié)電位器,使總電阻Rref=25kQ由I.電路分析可知,分在Rref上的電壓即為Vref,我們所用基準源電壓為2.5V,故要當Rref=25kQ時即滑動變阻器為5kQ時能使I=0.1mAo四、NTC的電路連接設(shè)計：NTC電路模塊根據(jù)I.電路分析可知,Vo3相對于地的電壓即為NTC兩端的電壓,輸出能夠表

9、示溫度傳感器的電壓值.另外,對于運放A3,由于n、p兩輸入端的輸入電阻相差較大,對于電路的放大作用會產(chǎn)生很大誤差,為了平衡兩輸入端電阻,我們加一個平衡電阻Rb:如下列圖：Rb-51K而p端輸入電阻為：RpRine1KKlinen端輸入電阻:止匕處我們?nèi)b=51K五、濾波電路的設(shè)計:VOR10R112033放大倍數(shù)：Avf-11=1.594VPR133RnRp49KpClo.33nTn.3SuE.|RS4,7卜為得到較好的幅頻相應(yīng)波形,令品質(zhì)因素Q=0.707.Rline350KR6R7100kR6100kp_7品質(zhì)因數(shù):0.707AVF為了濾掉1kHz的干擾信號,取截止頻率fCwC=1-約為

10、100Hz,選電容C22RC1C=Ci=C2=0.33uF,由f=算出R=4.85kQ,取R=Rg=&=4.7kc2RC那么截止頻率：Wc11RC-4.70.3310644.75fcr手102.67Hz對于測溫現(xiàn)場可能有1000HZ的干擾信號,該濾波器的參數(shù)所能濾掉的信號頻率為fC102.67Hz,頻率大于fC時幅頻相應(yīng)函數(shù)斜率為-40dB/十倍頻程,可以濾掉1kHz的干擾信號.以下是multism11對該濾波電路傳遞函數(shù)的仿真y1000=46產(chǎn)460.0m!46.Dm=4.6m!28O.0|l28.0|l：Z8|l-28M常DesigniACAnalysis1.04628028002

11、8k2S0k10M10.0M320M640OM100G10.0nlFrequency(Hz)-w20-30-40-50-W-7080IlliIlliAA1.0462S02S0.028k2&0k10M10.0MS20MG400M100Gxl1-GOOOyl5.999Ex21.COOOky21.C227dxggq.G門dy-3e3769d.y/dx-£.3-25Sir1.OOlOitFrequencyfHz)由光標顯示看出當頻率為1kHz時輸出幅度約為0Hz時的十分之一.六、單片機串口電路設(shè)計MAX32可接兩個串口,我們這里只用到一個串口1.從T1out和R1in輸入,從T1in

12、和R1out輸出對應(yīng)接入單片機的TXD和RX加口.所接方法如下圖:vcc七、單片機外接電路設(shè)計TXO二蘭"心e注二:士ABC!?A：IADC1動tAIX-i匚口三qADC3?B4閩?A-(DC-口：0江(ADC:(MIJC?A£(ADC6?ADC-PCClECL出二二?c:皿皿TH式主G色?!>4OC1B?：JCCLAmt芯？式6-CSC'PU-0C2天-croscjvcc泛泛;AVCCAPTFXTAL2GlSDXT力GND如圖為單片機的外圍電路.使用內(nèi)部8MHz時鐘,故未連外部晶振.連接RESET的為復(fù)位電路,RX/口TXD連接串口電路輸出.VCC電源正極和

13、AVCC模擬信號正極均連接5V穩(wěn)壓電源.AD輸入我們使用PAOADC0口.AREF為AD參考電壓,與電流產(chǎn)生電路使用同一個基準源,使信號轉(zhuǎn)換不隨基準源的變化而變化.田、實驗結(jié)果下面我們以一個特定的值來分析：由以上電路連接我們可以測得NTC兩端的電壓為:Vntc=0.354AD的輸入即最后一個運放的輸出為：Vo4=0.575其比例A2405751.62Vntc0.354與運算所得到的Af=1.59很接近.Vo4的兩倍.這里在單片機里面的處理也將信號放大了兩倍,故顯示的電壓值應(yīng)該為顯示電壓為1146Mv,A11.1460.5751.99由此說明,實驗所得到的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)是符合的,電路連接及元件的

14、使用時正確的.從總體實驗結(jié)果顯示,我們所測量的溫度已電壓的形式顯示出來,到達了一個較好的效果.但是,由于在相近的兩個顯示值之間電壓值變化比擬大,使得他的值在不斷的波動.誤差分析：這是由于電路不穩(wěn)定造成的,我們連接時將元件的位置放得太緊密,電路中可能存在不定的電容量或者電阻量,所以這種誤差量的存在性更大,這需要對元件進行檢查,并且對元件連接的各個電路檢查.并將比擬緊密的元件分散連接.總體上我們的電路測量值能夠反映溫度的測量值,到達了所要求的溫度測量目的.IV、實驗程序的編寫程序我們用ICCAVR編寫,用AVRSTUDIO燒程序.對于整個程序的限制流程,可分以下模塊：設(shè)計要求是測得的代表溫度變化的

15、電壓值通過單片機串口在計算機上用串口調(diào)試助手顯示,傳輸速率9600bps,采樣速率為2Hz,即每秒更新兩次數(shù)據(jù).為了測量數(shù)據(jù)的精確性,我們?nèi)∈巫鲆粋€平均再發(fā)送,使得程序輸出的電壓值更穩(wěn)定.我們用Usart_PutChar()函數(shù)發(fā)送字符,將測得的溫度轉(zhuǎn)換為各個為上的一個數(shù),然后分貝發(fā)送到電腦上顯示.對于要求限制在2HZ,我們使用中斷,在程序中參加中斷而不使用延遲,使得每循環(huán)一次的時間為0.5S,這樣就很好的保證了頻率的準確.以下為附帶程序：#include<iom16v.h>#include<macros.h>#include<avr/interrupt.h&g

16、t;#pragmainterrupt_handlermiao:9/常量聲明#defineBAUD9600/波特率設(shè)置值#defineF_CPU8000000/全局變量聲明unsignedintADData;/AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)/函數(shù)聲明voidPort_Init(void);/端口初始化配置voidUsart_Init(void);/USART存放器設(shè)置voidAD_Init(void);/AcharcTXData);/字節(jié)發(fā)送函數(shù)voidUsart_PutString(unsignedchar*pcString);/字符串發(fā)送數(shù)據(jù)unsignedintAD_GetData(void);/AD

17、轉(zhuǎn)換函數(shù)voidTimer_Init(void);intnum;intmain(void)ADData=0;num=0;Port_Init();Usart_Init();AD_Init();Timer_Init();Usart_PutString("AD");Usart_PutString("ADC0");while(1);voidmiao()TCNT1H=0XF9;TCNT1L=0XE3;num+;ADData=ADData+(int)(long)AD_GetData()*5010/1024);if(num=10)num=0;/單位為m%ADData=

18、ADData/10;/得到電壓值的千位并發(fā)送/得到電壓值的百位并發(fā)送/得到電壓值的十位并發(fā)送/得到電壓值的個位并發(fā)送/發(fā)送電壓符號"mV"Usart_PutChar(ADData/1000+0x30);UsartPutChar(ADData%1000/100+0x30);Usart_PutChar(ADData%100/10+0x30);Usart_PutChar(ADData%10+0x30);Usart_PutString("mV");/AD值發(fā)送結(jié)束,回車換行Usart_PutChar(0x0d);Usart_PutChar(0x0a);ADDat

19、a=0;voidTimer_Init()(TCCR1B=0X04;TCNT1H=0XF9;TCNT1L=0XE3;TIMSK|=BIT(2);SREG|=BIT(7);/端口狀態(tài)初始化設(shè)置函數(shù)voidPort_Init()(PORTA=0X00;DDRA=0x00;/ADC通道設(shè)置為輸入口,高阻態(tài)/USART存放器配置函數(shù)voidUsart_Init()(UCSRA=0X00;UCSRC|=(1<<URSEL)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);/異步,數(shù)據(jù)格式,N,/UCSRCtf存器與UBRR唐存器共用相同的I/O地址,寫UCSRC寸,URSEL應(yīng)設(shè)置為1UBRRL=(F_CPU/BAUD/16-1)%256;/波特率設(shè)置UBRRH=(F_CPU/BAUD/16-1)/256;UCSRB|=(1<<RXCIE)|(1<<RXEN)|(1<<TXEN);/發(fā)送使能/字節(jié)發(fā)送函數(shù)voidUsart_PutCha