基于PIC18F258的全自動熱敏電阻測試儀的開發(fā)與研制

熱敏電阻作為一種常用的溫度傳感器廣泛應用于消費電子、工業(yè)控制、通信、航空等領域。在熱敏電阻的生產(chǎn)過程中，電阻的性能測試和標定環(huán)節(jié)非常關鍵。本文設計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對熱敏電阻性能進行自動測試和分析的儀器――熱敏電阻測試儀，它能夠同時對十五個熱敏電阻進行性能測試，在測試過程中，用戶可以通過上位機界面來控制測試中的溫度范圍及溫度間隔。得到測量數(shù)據(jù)后，用戶可以通過Excel表格程序繪制各個電阻的熱溫曲線，從而可以很容易識別出次品電阻。該儀器縮短了對熱敏電阻進行檢測的平均時間，提高了廠家的生產(chǎn)效率。

測量的基本原理

對熱敏電阻進行測試需要將其放入恒溫箱中進行，本測試儀也需要對恒溫箱中的溫度進行測定，才能根據(jù)不同的溫度測定熱敏電阻的阻值。在恒溫箱溫度測量過程中，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，A/D采集的數(shù)據(jù)有效位數(shù)可達14位左右，從而使得對溫度的分辨精度達0.05度。在這種情況下，熱敏電阻測試過程中的溫度間隔比較小，為熱敏電阻的精細測量奠定了良好的基礎，同時也進一步拓寬了本儀器的使用范圍。

恒溫箱溫度的采集

在熱敏電阻的測量過程中，精確采集恒溫箱的溫度至關重要。對熱敏電阻進行精確測量的前提條件是能夠高精度、高分辨率地檢測溫度值。對恒溫箱溫度的采集由圖1所示的電路原理圖實現(xiàn)。

在電路當中，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量溫度提供了良好的基礎。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5ppm。鉑電阻PT1000在溫度為D50℃~100℃之間線性度較好。因此，該測試儀的測溫范圍在D50℃~100℃之間。

熱敏電阻阻值的測量

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

下位機部分

硬件部分

熱敏電阻測試儀的硬件部分包括六個功能模塊，硬件框圖如圖3。各模塊功能簡述如下：

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)化為相應的電壓，傳送到AD7731的數(shù)據(jù)采集引腳進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。實際的數(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，它和中間的保護電路共同將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)化為電壓。右側(cè)是對恒溫箱溫度進行測量的電路，它將2.5V電壓通過鉑電阻PT1000和一個阻值為1.5kΩ的高精度電阻進行分壓后送入AD輸入端。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：由四片AD7731芯片組成，對20路模擬輸入進行采集，采集結(jié)果送入單片機。AD7731是美國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。它可直接接收來自傳感器的輸入信號，適合于測量具有廣泛動態(tài)范圍的低頻信號，可廣泛應用于應變測量、溫度測量、壓力測量及工業(yè)過程控制等領域。在測試儀中AD7731芯片的主要任務是采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機。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，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)換器具有更強的抗干擾能力。但是，由于AD7731的分辨率非常高，因此在設計PCB電路板時，要十分注意屏蔽層設計和元件布局的位置關系。

PIC單片機及串口通信模塊：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。電路中有關單片機和串口通信的電路如圖6所示。

圖中，MAX232芯片負責完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，以便單片機和PC機之間能夠正常通信。在本測試儀中，RS232串行口的通信速率采用9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗。

軟件部分

熱敏電阻測試儀下位機軟件主要完成兩項任務：

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

具體操作流程如圖7所示。其中，SPI和USART都屬于單片機內(nèi)部模塊，只需對模塊的相關寄存器進行設定即可，而對于AD7731芯片的控制則需要通過SPI模塊間接進行。

上位機部分

微軟公司出品的Visual Studio 6.0是常用的編程工具，熱敏電阻測試儀的上位機軟件用該工具編寫。上位機程序的主要功能是接收從下位機通過RS232發(fā)送來的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，對其進行處理，并將處理完成后的結(jié)果填寫到Excel表格中，供用戶進行處理。在數(shù)據(jù)處理過程中采用了KALMAN數(shù)字濾波器，進一步提高了溫度的測量精度。系統(tǒng)通過OLE自動化技術將數(shù)據(jù)填寫到Excel工作表中，如果用戶對數(shù)據(jù)有進一步要求，可自行對數(shù)據(jù)進行處理。程序可滿足不同用戶的需求。

測試儀的上位機界面簡明，用戶操作簡單。其主界面如圖8所示。

在主界面的上部有四個按鈕控件分別為：開始、停止、設置和幫助。

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

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

設置按鈕：實現(xiàn)對溫度的校準、測量范圍測量間隔的設置、測試儀內(nèi)部參數(shù)的設置。在對內(nèi)部參數(shù)進行設置時，要先輸入密碼，以防止對校準數(shù)據(jù)進行誤操作。

在參數(shù)設置界面中可以對溫度、測量范圍、內(nèi)部參數(shù)進行設定。之后數(shù)據(jù)被寫入文件，再次啟動程序時所設定的參數(shù)會被自動讀入。

幫助按鈕：啟動幫助文件。在幫助文件中對軟件的操作進行詳細說明。包括硬件的連接、操作規(guī)程等。

結(jié)語

隨著傳感器技術的不斷進步，熱敏電阻的理論研究和應用開發(fā)已取得了引人注目的成果。作為生產(chǎn)過程的最后一個環(huán)節(jié)的熱敏電阻測試，提高其檢測效率，必然會縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時間，并降低生產(chǎn)成本，使熱敏電阻的應用更加廣泛。