摘 要：開發(fā)了測量熱敏電阻溫度特性曲線的硬件電路。使用DS18B20作為溫度傳感器，編寫單片機與PC機間的通信程序，該溫度值經串口發(fā)送到計算機中。電壓信號利用聲卡采集到計算機中，由LabVIEW軟件編寫的虛擬鎖相放大器測量，實現(xiàn)了測量負溫度系數(shù)的熱敏電阻阻值隨溫度的變化曲線。利用電橋來提取阻值變化引起的電壓變化信號，并且將測量值采集到計算機中，可以實現(xiàn)基于計算機的數(shù)據(jù)采集和分析。

關鍵詞：熱敏電阻；溫度傳感器；負溫度系數(shù)；串口；鎖相放大器

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1600803

Hardware Circuit Design for Testing the Property Curve of Thermistor

XIANG Ying

(Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou，510665，China)

Abstract：In this paper，a hardware circuit is designed to test the property curve of thermistor.Taking DS18B20 as temperature sensors，its communication program is written between single chip computer and PC and the temperature value is sent to PC by the serial port.By sound card，the voltage value is picked PC and tested via virtual lockinamplifier by LabVIEW.By the way，it may realize the change curve of negative temperature coefficient for the thermal resistor.its innovation lies in that it collects voltage variation values caused by resistance value changes by bridge and reads them into PC，thus realizing the computerbased data colletion and analysis.

Keywords：thermal resistor;temperature sensor;negative temperature coefficient;serial port;lockinamplifier

熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）和負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關系減小、具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料，它在電子線路、自動控制以及傳感技術中都有廣泛的應用。

本系統(tǒng)是要檢測熱敏電阻的特性曲線，所以除了要有阻值的變化外，也要有溫度的同步變化數(shù)值。集成溫度傳感器DS18B20可檢測到-55~100 ℃溫度范圍內的溫度變化，精度可達到0.01 ℃。利用DS18B20對熱敏電阻溫度的監(jiān)控，通過單片機對繼電器的控制，完成對熱敏電阻的溫度控制。測量值采集到了計算機中，可以實現(xiàn)基于計算機的數(shù)據(jù)采集和分析。

1 溫度特性測量原理

當溫度變化不是很大時，熱敏電阻的阻值隨溫度的變化不明顯，一般的測量方法（如伏安法）測量不精確。本測量方法采用電橋提取阻值變化引起的電壓變化信號，這一電壓信號一般在幾μV，環(huán)境噪聲對它的測量結果影響較大，而采用鎖相放大器來測量則可以提高測量的精度。測量電路如圖1所示。

信號發(fā)生器作為交流信號源，產生1 000 Hz標準的正弦波信號和同步觸發(fā)的參考信號，一路作為參考信號直接送鎖相放大器;另一路接入電橋測量電路的AB兩端。R₁和R₃均為1 kΩ左右的電阻，R₂為10 Ω左右的電阻，R_T為待測的熱敏電阻，阻值為幾~十幾歐姆。

由于電橋A，B兩端的信號電壓V_AB值為固定，當熱敏電阻R_T所測的溫度改變時，將引起電橋C，D兩點的電壓的變化，而C，D兩點的電壓V_CD就是鎖相放大器被測信號的輸入電壓。根據(jù)鎖相放大器的工作原理，在參考信號不變的情況下，鎖相放大器的輸出電壓V_O與V_CD有線性關系。根據(jù)測量回路的電壓與電流的關系，可以求出電壓V_CD與電阻R_T的關系如下：V_CD=V_AB［R_T/（R_T+ R₃）·R₂·（R₁+ R₂）］由于R₃遠大于R_T，所以上式可以近似寫為：V_CD=aR_T+b因此，V_O正比于aR_T+b（a，b為常數(shù)）。

這樣，通過測得鎖相放大器的輸出電壓V_O隨溫度變化的特性，就可以求出熱敏電阻的阻值R_T隨溫度變化的特性。

3 溫度特性測量硬件電路

3.1 系統(tǒng)結構的整體設計

硬件電路的系統(tǒng)結構整體設計如圖2所示。

實驗硬件系統(tǒng)由真實信號發(fā)生器提供信號源。信號發(fā)生器上方輸出端為同步TTL方波，串接分壓電阻衰減后，輸出為1 V方波。其輸出直接連接至音頻輸入電纜的右聲道，通過聲卡模/數(shù)轉換后輸入到計算機中。

信號發(fā)生器的輸出設置為正弦波，頻率為500 Hz，幅度調節(jié)為1 V。信號發(fā)生器輸出的正弦信號作為橋式電路的輸入信號，C，D兩端之間的電壓差輸出連接至一差分放大器，放大器輸出的C，D間的電壓差由音頻輸入電纜的左聲道采集，通過聲卡模數(shù)轉換后輸入到計算機中。

熱敏電阻R_T緊靠著一個水泥電阻，由一個繼電器控制水泥電阻電路的通、斷狀態(tài)，計算機通過串口向單片機發(fā)送指令，控制繼電器的狀態(tài)，共同構成了加熱控制電路。數(shù)字式溫度傳感器DS18B20緊靠在水泥電阻旁，在水泥電阻給熱敏電阻加熱的同時測得熱敏電阻的溫度，該溫度值讀入到單片機中，經串口發(fā)送到計算機中。

3.2 電壓采集電路

電壓采集電路由橋式電路和放大器AD620組成，電路如圖3所示。

在電壓采集電路中，因為C，D兩點電壓差在毫伏級變化，所以采集到的信號必須經過放大才能輸入到PC機。在本系統(tǒng)中放大器選用AD620，放大倍數(shù)G=130，R_G=130 Ω。AD620是一個高放大倍數(shù)的放大器，通過對可調電阻R₄的調節(jié)可以控制放大器的放大倍數(shù)從1~1 000倍之間變化。 AD620運放增益計算公式：

G=(49.4 kΩ/R_G)+1；R_G=49.4 kΩ/(G-1)

采集到的輸出電壓經聲卡的左聲道送入到計算機中，由LabVIEW軟件編寫的虛擬鎖相放大器測量。

3.3 溫度測量電路

溫度測量電路由溫度控制電路和溫度讀取電路組成，如圖4所示。電路中采用負溫度系數(shù)（NTC Negative Temperature Coeff1Cient）的熱敏電阻。所謂負溫度系數(shù)是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關系減小，具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料。

要檢測熱敏電阻的特性曲線，除了要有阻值的變化外，也要有溫度的同步變化數(shù)值。集成溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS公司最新推出的一種可組網數(shù)字式溫度傳感器，它體積小，電壓適用范圍寬（3~5 V），用戶還可以通過編程實現(xiàn)9~12位的溫度讀數(shù)，即具有可調的溫度分辨率，因此它的實用性和可靠性比同類產品更高。它可檢測到-55~100 ℃溫度范圍內的溫度變化，精度可達到0.01 ℃。

DS18B20與單片機的接口極其簡單，只需將DS18B20的信號線與單片機的一位雙向端口相連即可。在實驗電路中溫度傳送設置為10進制BCD碼，一共傳送5個字節(jié)，第一個字節(jié)發(fā)送十進制數(shù)09，為開啟標志。接下來送溫度的十位、個位、十分位、百分位，從測得的熱敏電阻當前的溫度開始，連續(xù)采樣讀取溫度值。

繼電器K₁控制著水泥電阻R₃電路的接通與否。當繼電器閉合，電路導通，水泥電阻開始加熱；反之，停止加熱。繼電器的狀態(tài)通過單片機控制，單片機發(fā)送ASCII碼“30H”，控制繼電器閉合；發(fā)送“31H” ，則控制繼電器斷開。串口通信采用常見的通信轉換芯片MAX232。從MAX232的9，10腳輸入單片機信號，經轉換后再從7，8腳輸出到PC機。

3.4 電源部分

本系統(tǒng)設計了電源部分，其中+5 V電源給單片機供電，±12 V電源給水泥電阻供電，±5 V給放大器AD620供電。

3.5 C語言編寫的單片機程序

單片機和PC機之間的通信協(xié)議為：波特率4 800 b/s，校驗位無，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。單片機給PC機傳每幀數(shù)據(jù)為5個字節(jié)的BCD碼，第一個節(jié)字為開始標志，第二、三、四、五個字節(jié)為溫度數(shù)據(jù)。

4 結 語

本文研制了熱敏電阻溫度特性測量實驗的硬件電路。實驗電路輸出的待測電壓由音頻信號線采集，經聲卡模數(shù)轉換后輸入到計算機中，由LabVIEW軟件編寫的虛擬鎖相放大器測量。用C語言編寫單片機程序，完成了計算機通過單片機控制繼電器的狀態(tài)，以及由串口將熱敏電阻的溫度值讀入到計算機中，量值由計算機軟件編程顯示。實現(xiàn)了測量負溫度系數(shù)的熱敏電阻阻值隨溫度的變化曲線。

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作者簡介 向 英 女，1973年出生，碩士，講師，陜西臨潼人。研究方向為虛擬儀器技術、電工電子教學和計算機應用技術。