基于PIC18F258的全自動(dòng)熱敏電阻測試儀的開(kāi)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(lǐng)域。在熱敏電阻的生產(chǎn)過(guò)程中，電阻的性能測試和標定環(huán)節非常關(guān)鍵。本文設計了一種能夠實(shí)現對熱敏電阻性能進(jìn)行自動(dòng)測試和分析的儀器――熱敏電阻測試儀，它能夠同時(shí)對十五個(gè)熱敏電阻進(jìn)行性能測試，在測試過(guò)程中，用戶(hù)可以通過(guò)上位機界面來(lái)控制測試中的溫度范圍及溫度間隔。得到測量數據后，用戶(hù)可以通過(guò)Excel表格程序繪制各個(gè)電阻的熱溫曲線(xiàn)，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(jìn)行檢測的平均時(shí)間，提高了廠(chǎng)家的生產(chǎn)效率。

測量的基本原理

對熱敏電阻進(jìn)行測試需要將其放入恒溫箱中進(jìn)行，本測試儀也需要對恒溫箱中的溫度進(jìn)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(guò)程中，采用鉑電阻PT1000作為傳感器，將溫度轉化為電壓進(jìn)行模數轉換。模數轉換過(guò)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(shù)，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(guò)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(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

在熱敏電阻的測量過(guò)程中，精確采集恒溫箱的溫度至關(guān)重要。對熱敏電阻進(jìn)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(shí)現。

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(xiàn)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1.5kΩ0.05%的高精度電阻，其溫度系數達5ppm。鉑電阻PT1000在溫度為D50℃~100℃之間線(xiàn)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(diǎn)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(shí)，AINX點(diǎn)的電壓也隨之改變，通過(guò)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(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(jìn)行模數轉換。實(shí)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(jìn)行測量的電路，它將2.5V電壓通過(guò)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。

模數轉換電路：由四片AD7731芯片組成，對20路模擬輸入進(jìn)行采集，采集結果送入單片機。AD7731是美國ADI公司開(kāi)發(fā)的具有低噪聲、高通過(guò)率等特性的∑－Δ模數轉換器。它可直接接收來(lái)自傳感器的輸入信號，適合于測量具有廣泛動(dòng)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(guò)程控制等領(lǐng)域。在測試儀中AD7731芯片的主要任務(wù)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芯片比傳統的高精度轉換器具有更強的抗干擾能力。但是，由于A(yíng)D7731的分辨率非常高，因此在設計PCB電路板時(shí)，要十分注意屏蔽層設計和元件布局的位置關(guān)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(guò)RS232串行口發(fā)送到上位機。電路中有關(guān)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(wú)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(wù)：

通過(guò)SPI總線(xiàn)控制AD7731芯片進(jìn)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(guān)寄存器進(jìn)行設定即可，而對于A(yíng)D7731芯片的控制則需要通過(guò)SPI模塊間接進(jìn)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(xiě)。上位機程序的主要功能是接收從下位機通過(guò)RS232發(fā)送來(lái)的A/D轉換數據，對其進(jìn)行處理，并將處理完成后的結果填寫(xiě)到Excel表格中，供用戶(hù)進(jìn)行處理。在數據處理過(guò)程中采用了KALMAN數字濾波器，進(jìn)一步提高了溫度的測量精度。系統通過(guò)OLE自動(dòng)化技術(shù)將數據填寫(xiě)到Excel工作表中，如果用戶(hù)對數據有進(jìn)一步要求，可自行對數據進(jìn)行處理。程序可滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

測試儀的上位機界面簡(jiǎn)明，用戶(hù)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(kāi)始、停止、設置和幫助。

開(kāi)始按鈕：按下后，可啟動(dòng)對微軟通信控件產(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(shí)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(jìn)行設置時(shí)，要先輸入密碼，以防止對校準數據進(jìn)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(jìn)行設定。之后數據被寫(xiě)入文件，再次啟動(dòng)程序時(shí)所設定的參數會(huì )被自動(dòng)讀入。

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

結語(yǔ)

隨著(zhù)傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱敏電阻的理論研究和應用開(kāi)發(fā)已取得了引人注目的成果。作為生產(chǎn)過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節的熱敏電阻測試，提高其檢測效率，必然會(huì )縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，并降低生產(chǎn)成本，使熱敏電阻的應用更加廣泛。