一種熱電阻阻值測(cè)量的新方法

??? 摘? 要：在利用熱電阻測(cè)量溫度中，熱電阻阻值的精確測(cè)量是精確測(cè)量溫度的關(guān)鍵，針對(duì)傳統(tǒng)熱電阻阻值的測(cè)量的不足，提出了新穎的熱電阻阻值測(cè)量方法，以AT89C51單片機(jī)為核心，僅用較少外圍資源就可以實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，測(cè)量精度高。
??? 關(guān)鍵詞：熱電阻? 測(cè)量? 單片機(jī)

1 引言
??? 溫度的測(cè)量在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用，熱電阻傳感器以其溫度測(cè)量特性穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)行好，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大等優(yōu)良性能受到青睞。傳統(tǒng)的熱電阻測(cè)量電路［１］有以下幾種：一是二線(xiàn)制單臂電橋法，電橋的輸出電壓反映了溫度的變化，但是，由于熱電阻自身阻值較小，當(dāng)引線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)，引線(xiàn)電阻引起的誤差就不能忽略。二是三線(xiàn)制單臂電橋法，雖然能夠解決引線(xiàn)電阻引起的誤差，但測(cè)量范圍窄。三是四線(xiàn)制單臂電橋法，可以無(wú)需考慮熱電阻的非線(xiàn)性造成的測(cè)量誤差，并利用恒流源在熱電阻上產(chǎn)生的壓降反映溫度，但是一般測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)難以滿(mǎn)足四線(xiàn)制的要求。四是熱電阻阻值電流轉(zhuǎn)換法，將熱電阻阻值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，以利于信號(hào)的傳輸，然而，對(duì)于精確的溫度測(cè)量仍然存在引線(xiàn)電阻引起的誤差，且性?xún)r(jià)比低。為此，提出了一種熱電阻阻值測(cè)量的新方法，并以AT89C51單片機(jī)［２］［３］為主機(jī)，配以較少的電阻，電容等元件組成測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)踐證明方法準(zhǔn)確、有效。
2 測(cè)量原理［４］
??? 測(cè)量電路如圖1，其中Rt為待測(cè)的熱電阻阻值，Rl為引線(xiàn)的等效電阻，Rc為標(biāo)準(zhǔn)精密電阻，Rd為電容放電電阻。測(cè)量原理如下：

??? 第一步，P1.0、P1.1、P1.3為輸入狀態(tài)，P1.2為輸出狀態(tài)，輸出的高電平V１通過(guò)Rl、Rt、Rl對(duì)電容C充電，則電容C上的電壓Uc(t)，按下式變化，即

??? 經(jīng)歷Tt過(guò)渡時(shí)間，Uc(t)達(dá)到P1.3的輸入高電平閥值電壓V2，P1.3的輸入狀態(tài)由低電平過(guò)渡為高電平狀態(tài)，且過(guò)渡時(shí)間Tt可由(1)式求得，即

? ?將P1.3置為低電平狀態(tài)，電容C通過(guò)Rd放電。
??? 第二步，P1.0、P1.2、P1.3為輸入狀態(tài)，P1.1為輸出狀態(tài)，輸出的高電平V1通過(guò)Rc、Rl、Rl對(duì)電容C充電，經(jīng)歷Tc過(guò)渡時(shí)間，Uc(t)達(dá)到P1.3的輸入高電平閥值電壓V2，P1，3的輸入狀態(tài)由低電平過(guò)渡為高電平狀態(tài)，且過(guò)渡時(shí)間Tc可由(3)式求得，即

??? 將P1.3置為低電平狀態(tài)，電容C通過(guò)Rd放電。
?? 第三步，P1.1、P1.2、P1.3為輸入狀態(tài)，P1.0為輸出狀態(tài)，輸出的高電平V1通過(guò)Rl、Rl對(duì)電容C充電，經(jīng)歷T1過(guò)渡時(shí)間，Uc(t)達(dá)到P1.3的輸入高電平閥值電壓V2，P1.3的輸入狀態(tài)由低電平過(guò)渡為高電平狀態(tài)，且過(guò)渡時(shí)間T1可由(4)式求得，即

??? 將P1.3置為低電平狀態(tài)，電容C通過(guò)Rd放電。
??? 將(2)式除以(4)式得

??? 因?yàn)镽c為已知，只要測(cè)量出Tt、Tc、Tl便可由（7）式計(jì)算出被測(cè)熱電阻Rt的阻值，單片機(jī)程序在通過(guò)計(jì)算或查表的方法，將熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值，當(dāng)Rc選精密電阻，并且單片機(jī)時(shí)間測(cè)量精度高時(shí)，使用該測(cè)量方法可達(dá)到較高的測(cè)量精度。
3 測(cè)量原理的改進(jìn)
??? 上述原理分析中，單片機(jī)輸出的高電平V1和輸入高電平的閥值電壓V2，在三個(gè)步驟中的變化將影響測(cè)量精度，為此測(cè)量電路進(jìn)行如圖2的改進(jìn)。

??? 其中CD4502為CMOS模擬開(kāi)關(guān)，它的導(dǎo)通電阻、切換速度與其供電電壓有關(guān)，但對(duì)同一芯片，具有同一性，可設(shè)模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為Ron，這樣使每一步對(duì)電容充電的電壓，相一致為Vcc用放大器OP-07實(shí)現(xiàn)比較器，比較器的正輸入端反映電容的充電電壓，負(fù)輸入端接標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓電源LM385-2.5，使輸入高電平的閥值電壓穩(wěn)定在Vd，通過(guò)以上措施克服了原有測(cè)量電路的不足，具體測(cè)量原理如下：
??? 第一步，P1.4置為“l(fā)”狀態(tài)，并使P1.2、P1.3均為“1”狀態(tài)，則CD4502的Y-Y3接通，對(duì)電容放電，放電完成后，比較器的“+”輸入端電壓將低于“-”輸入端電壓，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，P1.5為低電平，將P1.2、P1.3均為“0”狀態(tài)，則CD4502的X-X0接通，電壓Vcc通過(guò)電阻Ron、Rl、Rl對(duì)電容充電，經(jīng)歷Tl過(guò)渡時(shí)間，Uc（t）達(dá)到比較器的翻轉(zhuǎn)電壓，且過(guò)渡時(shí)間T?l可由(8)式求得，即
(8)
??? 將P1.2、P1.3均為“1”狀態(tài)，CD4502的Y-Y3接通，對(duì)電容放電。
??? 第二步，P1.2、P1.3分別設(shè)為“0”、“1”狀態(tài)，則CD4502的X-X1接通，電壓Vcc，通過(guò)電阻Ron、Rc、Rl、Rl對(duì)電容充電，經(jīng)歷Tc過(guò)渡時(shí)間，Uc（t）達(dá)到比較器的翻轉(zhuǎn)電壓，且過(guò)渡時(shí)間T?c可由(9)式求得，即

??? 將P1.2、P1.3均為“l(fā)”狀態(tài)，CD4502的Y-Y3接通，對(duì)電容放電。
??? 第三步，P1.2、P1.3分別設(shè)為“1”、“0”狀態(tài)，則CD4502的X-X2接通，電壓Vcc通過(guò)電阻Ron、Rl、Rt、Rl、對(duì)電容充電，經(jīng)歷Tt過(guò)渡時(shí)間，Uc(t)達(dá)到比較器的翻轉(zhuǎn)電壓，且過(guò)渡時(shí)間T?t可由(10)式求得，即

??? 將P1.2、P1.3均為“1”狀態(tài)，CD4502的Y-Y3接通，對(duì)電容放電。
??? 由式(8)、(9)、(10)可得到如式(7)的熱電阻阻值表達(dá)式，此表達(dá)式可以轉(zhuǎn)化成下式：

??? 由式(11)可以看出，由于系統(tǒng)參數(shù)己固定，Tt、Tc、Tl如有誤差，誤差應(yīng)具有相同的方向，即同時(shí)具有正向誤差，或負(fù)向誤差，通過(guò)Tt－Tl，Tc－Tl可消除系統(tǒng)誤差，這一特點(diǎn)有利于提高測(cè)量精度。
4 參數(shù)的選擇
??? 由式(2)可知，Tt的大小取決于電阻Rt、電容C，在單片機(jī)的計(jì)數(shù)器不溢出的基礎(chǔ)上，Tt的數(shù)值越大，測(cè)量精度越高，一般情況下，Rc應(yīng)近似取被測(cè)電阻最大值的一半，電容Ｃ按下式選擇：

其中Tt：計(jì)數(shù)器溢出時(shí)間，與單片機(jī)的時(shí)鐘頻率及定時(shí)器的位數(shù)有關(guān)；?
???????? Rmax：被測(cè)電阻的最大值；?
??? 如果采用Pt100做溫度傳感器，溫度測(cè)量范圍為-200～850℃，對(duì)應(yīng)的阻值為18.49～390.26Ω、考慮到其他電阻的影響，取Rmax為1K(Rt+Rc+2Rl)，則Rc為500Ω、Vcc為5V、VD為2.5V。
??? 單片機(jī)AT89C51的時(shí)鐘頻率為16MHz、定時(shí)器的分辨率為16位，則T計(jì)數(shù)范圍為65535對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)時(shí)間為1us*65535us，由式(12)知：C<94.5uf、取90uf、則其靈敏度K(個(gè)數(shù)／Ω)為：

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
??? 采用AT89C51為核心，X25045存儲(chǔ)相關(guān)定值，另外X25045具有WATCHDOG功能，可防止程序的“飛車(chē)”，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)通訊，鍵盤(pán)顯示部分實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，開(kāi)出部分實(shí)現(xiàn)報(bào)警和相應(yīng)的控制，組成系統(tǒng)框圖如下：

6 結(jié)論
??? 利用電容沖放電原理實(shí)現(xiàn)的熱電阻測(cè)量電路，設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的實(shí)際情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，運(yùn)行準(zhǔn)確，可靠。

參考文獻(xiàn)：

［１］郝蕓．傳感器原理與應(yīng)用［Ｍ］．電子工業(yè)出版社，2002，第一版
［２］何立民．單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［Ｍ］．北京航空航天大學(xué)出版社，1996，第一版
［３］李華．MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)［Ｍ］．北京航空航天大學(xué)出版社，1993，第一版
［４］何立民．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編(8)［Ｍ］．北京航空航天大學(xué)出版社，2000，第一版