基于PIC18F的全自動熱敏電阻測試儀設計

　　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實現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。得到測量數據后，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，將溫度轉化為電壓進行模數轉換。模數轉換過程主要使用24位低噪聲可編程模數轉換器，它內部采用Σ-Δ轉換技術，A/D采集的數據有效位數可達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。

在電路當中，電壓源的電壓由AD公司生產的精密電壓源AD780提供，其輸出電壓為2.5V±1mV，溫度系數為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℃范圍內線性度好，靈敏度較高，溫度系數為0.4%，適于表面或狹縫測溫使用。電阻R0選用阻值為1.5kΩ±0.05%的高精度電阻，其溫度系數達5ppm。鉑電阻PT1000在溫度為―50℃~100℃之間線性度較好。因此，該測試儀的測溫范圍在―50℃~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組成的可調電壓源，大小為3.8V，R1至R19為2kΩ的高精密電阻器，溫度系數(TCR)為15PPM。下部電阻RX1至RX19為待測的熱敏電阻。兩電阻的連結點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，為數據采集電路提供+5V電壓源。

　　·數據采集電路：將電阻值轉化為相應的電壓，傳送到AD7731的數據采集引腳進行模數轉換。實際的數據采集電路如圖4所示。

圖中，左側部分為電阻值數據采集電路，它和中間的保護電路共同將熱敏電阻阻值轉化為電壓。右側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。

　　·模數轉換電路：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模數轉換器。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據，并將數據傳送給單片機。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芯片完成數據采集，并將接收到的數據通過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位數據位，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芯片進行數據采集，并將采集到的數據讀入本機內部。

　　·正確配置串口通信模塊，按協(xié)議規(guī)定的速率將數據發(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轉換數據，對其進行處理，并將處理完成后的結果填寫到Excel表格中，供用戶進行處理。在數據處理過程中采用了KALMAN數字濾波器，進一步提高了溫度的測量精度。系統(tǒng)通過OLE自動化技術將數據填寫到Excel工作表中，如果用戶對數據有進一步要求，可自行對數據進行處理。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生的OnComm消息的處理程序，啟動Excel模板文件mytest.xlt，以供顯示數據使用。

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

　　設置按鈕：實現對溫度的校準、測量范圍測量間隔的設置、測試儀內部參數的設置。在對內部參數進行設置時，要先輸入密碼，以防止對校準數據進行誤操作。

　　在參數設置界面中可以對溫度、測量范圍、內部參數進行設定。之后數據被寫入文件，再次啟動程序時所設定的參數會被自動讀入。

　　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，必然會縮短產品生產時間，并降低生產成本，使熱敏電阻的應用更加廣泛。