基于PIC18F258的全自動(dòng)熱敏電阻測(cè)試儀的開發(fā)與研制

熱敏電阻作為一種常用的溫度傳感器廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制、通信、航空等領(lǐng)域。在熱敏電阻的生產(chǎn)過程中，電阻的性能測(cè)試和標(biāo)定環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱敏電阻性能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和分析的儀器――熱敏電阻測(cè)試儀，它能夠同時(shí)對(duì)十五個(gè)熱敏電阻進(jìn)行性能測(cè)試，在測(cè)試過程中，用戶可以通過上位機(jī)界面來(lái)控制測(cè)試中的溫度范圍及溫度間隔。得到測(cè)量數(shù)據(jù)后，用戶可以通過Excel表格程序繪制各個(gè)電阻的熱溫曲線，從而可以很容易識(shí)別出次品電阻。該儀器縮短了對(duì)熱敏電阻進(jìn)行檢測(cè)的平均時(shí)間，提高了廠家的生產(chǎn)效率。

測(cè)量的基本原理

對(duì)熱敏電阻進(jìn)行測(cè)試需要將其放入恒溫箱中進(jìn)行，本測(cè)試儀也需要對(duì)恒溫箱中的溫度進(jìn)行測(cè)定，才能根據(jù)不同的溫度測(cè)定熱敏電阻的阻值。在恒溫箱溫度測(cè)量過程中，采用鉑電阻PT1000作為傳感器，將溫度轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換過程主要使用24位低噪聲可編程模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，A/D采集的數(shù)據(jù)有效位數(shù)可達(dá)14位左右，從而使得對(duì)溫度的分辨精度達(dá)0.05度。在這種情況下，熱敏電阻測(cè)試過程中的溫度間隔比較小，為熱敏電阻的精細(xì)測(cè)量奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也進(jìn)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(cè)量過程中，精確采集恒溫箱的溫度至關(guān)重要。對(duì)熱敏電阻進(jìn)行精確測(cè)量的前提條件是能夠高精度、高分辨率地檢測(cè)溫度值。對(duì)恒溫箱溫度的采集由圖1所示的電路原理圖實(shí)現(xiàn)。

在電路當(dāng)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2.5V1mV，溫度系數(shù)為5ppm。精密電壓源的引入為精確的測(cè)量溫度提供了良好的基礎(chǔ)。溫度傳感器選用鉑電阻PT1000，它在0~100℃范圍內(nèi)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(cè)溫使用。電阻R0選用阻值為1.5kΩ0.05%的高精度電阻，其溫度系數(shù)達(dá)5ppm。鉑電阻PT1000在溫度為D50℃~100℃之間線性度較好。因此，該測(cè)試儀的測(cè)溫范圍在D50℃~100℃之間。

熱敏電阻阻值的測(cè)量

測(cè)量熱敏電阻阻值的電路原理與測(cè)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(diào)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(cè)的熱敏電阻。兩電阻的連結(jié)點(diǎn)AIN1到AIN19的電壓被送往AD7731的電壓輸入端。當(dāng)下部的熱敏電阻阻值隨溫度發(fā)生變化時(shí)，AINX點(diǎn)的電壓也隨之改變，通過它可以測(cè)得阻值的變化情況。

下位機(jī)部分

硬件部分

熱敏電阻測(cè)試儀的硬件部分包括六個(gè)功能模塊，硬件框圖如圖3。各模塊功能簡(jiǎn)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(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓，傳送到AD7731的數(shù)據(jù)采集引腳進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。實(shí)際的數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

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

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：由四片AD7731芯片組成，對(duì)20路模擬輸入進(jìn)行采集，采集結(jié)果送入單片機(jī)。AD7731是美國(guó)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(zhuǎn)換器。它可直接接收來(lái)自傳感器的輸入信號(hào)，適合于測(cè)量具有廣泛動(dòng)態(tài)范圍的低頻信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于應(yīng)變測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。在測(cè)試儀中AD7731芯片的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。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(hào)，加到模擬調(diào)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(zhuǎn)換器具有更強(qiáng)的抗干擾能力。但是，由于AD7731的分辨率非常高，因此在設(shè)計(jì)PCB電路板時(shí)，要十分注意屏蔽層設(shè)計(jì)和元件布局的位置關(guān)系。

PIC單片機(jī)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(jī)。電路中有關(guān)單片機(jī)和串口通信的電路如圖6所示。

圖中，MAX232芯片負(fù)責(zé)完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，以便單片機(jī)和PC機(jī)之間能夠正常通信。在本測(cè)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(wú)奇偶校驗(yàn)。

軟件部分

熱敏電阻測(cè)試儀下位機(jī)軟件主要完成兩項(xiàng)任務(wù)：

通過SPI總線控制AD7731芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)讀入本機(jī)內(nèi)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(jī)。

具體操作流程如圖7所示。其中，SPI和USART都屬于單片機(jī)內(nèi)部模塊，只需對(duì)模塊的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)定即可，而對(duì)于AD7731芯片的控制則需要通過SPI模塊間接進(jìn)行。

上位機(jī)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(cè)試儀的上位機(jī)軟件用該工具編寫。上位機(jī)程序的主要功能是接收從下位機(jī)通過RS232發(fā)送來(lái)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理，并將處理完成后的結(jié)果填寫到Excel表格中，供用戶進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)處理過程中采用了KALMAN數(shù)字濾波器，進(jìn)一步提高了溫度的測(cè)量精度。系統(tǒng)通過OLE自動(dòng)化技術(shù)將數(shù)據(jù)填寫到Excel工作表中，如果用戶對(duì)數(shù)據(jù)有進(jìn)一步要求，可自行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。程序可滿足不同用戶的需求。

測(cè)試儀的上位機(jī)界面簡(jiǎn)明，用戶操作簡(jiǎn)單。其主界面如圖8所示。

在主界面的上部有四個(gè)按鈕控件分別為：開始、停止、設(shè)置和幫助。

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

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

設(shè)置按鈕：實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的校準(zhǔn)、測(cè)量范圍測(cè)量間隔的設(shè)置、測(cè)試儀內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。在對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，要先輸入密碼，以防止對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤操作。

在參數(shù)設(shè)置界面中可以對(duì)溫度、測(cè)量范圍、內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。之后數(shù)據(jù)被寫入文件，再次啟動(dòng)程序時(shí)所設(shè)定的參數(shù)會(huì)被自動(dòng)讀入。

幫助按鈕：?jiǎn)?dòng)幫助文件。在幫助文件中對(duì)軟件的操作進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。包括硬件的連接、操作規(guī)程等。

結(jié)語(yǔ)

隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱敏電阻的理論研究和應(yīng)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(gè)環(huán)節(jié)的熱敏電阻測(cè)試，提高其檢測(cè)效率，必然會(huì)縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，并降低生產(chǎn)成本，使熱敏電阻的應(yīng)用更加廣泛。