【摘 要】本設(shè)計是基于ATmega16（L）AVR單片機(jī)的熱電阻溫度傳感器。文章介紹了傳感器的基本功能及組成情況，傳感器主要由四部分組成：電橋、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換及LCD1602液晶顯示。

【關(guān)鍵詞】熱電阻 溫度傳感器 放大器 AVR單片機(jī)

一、引言

隨著社會的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對溫度因素要求越來越高，溫度的高精度測量是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域一個重要問題。 溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器，例如自動空調(diào)系統(tǒng)、家用電器溫度控制中，都需要溫度傳感器來完成，因為溫度是需測量和控制的重要參數(shù)之一。本設(shè)計一個基于AVR單片機(jī)的熱電阻溫度傳感器，用于檢測液體溫度并將結(jié)果直觀顯示。

二、系統(tǒng)功能分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，可把電路分為模擬部分和數(shù)字部分，采用ATmega16（L）AVR單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，主要實現(xiàn)兩個功能，一是將待測溫度轉(zhuǎn)換為電壓并放大，由模擬部分即電橋電路和電壓放大電路實現(xiàn)。二是將電壓轉(zhuǎn)換為溫度并顯示，由數(shù)字部分完成，即ATmega16（L）AVR單片機(jī)和LCD1602液晶顯示，單片機(jī)將電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度，送到LCD顯示。

三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)控制電路由電橋電路、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路及LCD顯示電路組成。綜合考慮設(shè)計要求及系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)情況后選擇以下方案以實現(xiàn)設(shè)計的合理化、實用化及最小成本化。

（一）電橋電路。熱電阻的敏感元件阻值隨溫度發(fā)生的變化是很微弱的，必須用專門電路測量這種微弱的變化，最常用電路就是電橋電路。電橋的作用：把電阻片的電阻變化率ΔR/R轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進(jìn)行測量。為了將約2mV～9mV微弱的電壓信號能夠較穩(wěn)定的輸出熱電阻溫度傳感器，盡量減少各種干擾，該設(shè)計是采用不平衡電橋的±5V恒壓源供電法。電橋四臂中只有一臂接入電阻傳感器，其余三臂均為固定電阻，則輸出電壓U0為[1]：

（3.1）

（二）探測器測溫方法

電阻溫度探測器（RTD）是一根阻值隨溫度變化而變化的特殊導(dǎo)線。目前銅和鉑兩種探測器應(yīng)用較廣泛，鉑電阻溫度傳感器有PT100，其電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3/℃，電阻變化率為0.3851Ω/℃，具有測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，電阻與溫度之間關(guān)系接近于線性。為了提高測量精確度，使用鉑熱電阻Pt100為探測器。為了消除導(dǎo)線電阻受被測溫度環(huán)境的影響，引線采用三線制測量法。當(dāng)電橋達(dá)到平衡時，有 （3.2）

則

因取，則有 （3.3）

若使 ，則有

由上可知，調(diào)節(jié)使電橋平衡，可消除環(huán)境影響。當(dāng)Pt100所測溫度發(fā)生變化時，其電阻相應(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化，輸出端產(chǎn)生毫伏級電壓，輸出電壓與溫度呈線性關(guān)系變化[2]。

（三）放大電路。經(jīng)分析可知，傳感器輸出信號是十分微弱的微伏級電壓，且易受噪聲干擾。因此要有效提取該信號，關(guān)鍵是在放大有用信號時把干擾信號有效地抑制掉，設(shè)計還需考慮放大器精度及穩(wěn)定性。

1.前置放大電路。整個電路的失調(diào)電壓及漂移與第一級密切相關(guān)，因此第一級選用具有超低失調(diào)電壓和超低漂移的集成運(yùn)放ICL7650，且第一級承擔(dān)儀用放大器主要放大作用，則取R2=100K，R1=2K，R3/R4=1。第二級的漂移和失調(diào)電壓對整個電路的作用大大降低，但其共模抑制比CMRR對整個電路的CMRR影響很大，因此第二級選用價格低且性能優(yōu)越的低漂移集成運(yùn)放OP07，其失調(diào)電壓為45V，溫漂為0.3V/℃，增益為450V/mV，共模抑制比為123dB。因第一級增益較大，易引起自激振蕩，因此在兩個100K電阻兩端加上150P的電容。ICL7650是一種斬波穩(wěn)零運(yùn)放，斬波頻率低（200HZ），其輸出信號中含有斬波尖峰噪聲，因此第二級差分運(yùn)放電路又做低通濾波器，對斬波噪聲及其它干擾信號抑制效果較好[3]。