基于传感器技术实现热敏电阻测试仪系统的设计

引言

热敏电阻作为一种常用的温度传感器广泛应用于消费电子、工业控制、通信、航空等领域。在热敏电阻的生产过程中，电阻的性能测试和标定环节非常关键。本文设计了一种能够实现对热敏电阻性能进行自动测试和分析的仪器——热敏电阻测试仪，它能够同时对十五个热敏电阻进行性能测试，在测试过程中，用户可以通过上位机界面来控制测试中的温度范围及温度间隔。得到测量数据后，用户可以通过Excel表格程序绘制各个电阻的热温曲线，从而可以很容易识别出次品电阻。该仪器缩短了对热敏电阻进行检测的平均时间，提高了厂家的生产效率。

测量的基本原理

对热敏电阻进行测试需要将其放入恒温箱中进行，本测试仪也需要对恒温箱中的温度进行测定，才能根据不同的温度测定热敏电阻的阻值。在恒温箱温度测量过程中，采用铂电阻PT1000作为传感器，将温度转化为电压进行模数转换。模数转换过程主要使用24位低噪声可编程模数转换器，它内部采用Σ-Δ转换技术，A/D采集的数据有效位数可达14位左右，从而使得对温度的分辨精度达0.05度。在这种情况下，热敏电阻测试过程中的温度间隔比较小，为热敏电阻的精细测量奠定了良好的基础，同时也进一步拓宽了本仪器的使用范围。

恒温箱温度的采集

在热敏电阻的测量过程中，精确采集恒温箱的温度至关重要。对热敏电阻进行精确测量的前提条件是能够高精度、高分辨率地检测温度值。对恒温箱温度的采集由图1所示的电路原理图实现。

在电路当中，电压源的电压由AD公司生产的精密电压源AD780提供，其输出电压为2.5V±1mV，温度系数为5ppm。精密电压源的引入为精确的测量温度提供了良好的基础。温度传感器选用铂电阻PT1000，它在0~100℃范围内线性度好，灵敏度较高，温度系数为0.4%，适于表面或狭缝测温使用。电阻R0选用阻值为1.5kΩ±0.05%的高精度电阻，其温度系数达5ppm。铂电阻PT1000在温度为―50℃~100℃之间线性度较好。因此，该测试仪的测温范围在―50℃~100℃之间。

热敏电阻阻值的测量

测量热敏电阻阻值的电路原理与测量恒温箱温度的原理相似，如图2所示。图中，电压源是由LM317组成的可调电压源，大小为3.8V，R1至R19为2kΩ的高精密电阻器，温度系数（TCR）为15PPM。下部电阻RX1至RX19为待测的热敏电阻。两电阻的连结点AIN1到AIN19的电压被送往AD7731的电压输入端。当下部的热敏电阻阻值随温度发生变化时，AINX点的电压也随之改变，通过它可以测得阻值的变化情况。

下位机部分

硬件部分

热敏电阻测试仪的硬件部分包括六个功能模块，硬件框图如图3。各模块功能简述如下：

·电源电路：提供模拟+5V电源、数字+5V电源及+8V电源

·电压源电路：为AD7731提供+2.5V高精度参考电压，为数据采集电路提供+5V电压源。

·数据采集电路：将电阻值转化为相应的电压，传送到AD7731的数据采集引脚进行模数转换。实际的数据采集电路如图4所示。

图中，左侧部分为电阻值数据采集电路，它和中间的保护电路共同将热敏电阻阻值转化为电压。右侧是对恒温箱温度进行测量的电路，它将2.5V电压通过铂电阻PT1000和一个阻值为1.5kΩ的高精度电阻进行分压后送入AD输入端。

·模数转换电路：由四片AD7731芯片组成，对20路模拟输入进行采集，采集结果送入单片机。AD7731是美国ADI公司开发的具有低噪声、高通过率等特性的∑－Δ模数转换器。它可直接接收来自传感器的输入信号，适合于测量具有广泛动态范围的低频信号，可广泛应用于应变测量、温度测量、压力测量及工业过程控制等领域。在测试仪中AD7731芯片的主要任务是采集数据，并将数据传送给单片机。具体的连接方式如图5。

模拟输入和参考输入都是差模信号，加到模拟调制器上的电压是共模电压，而AD7731较好的共模抑制比能有效去除输入端的共模噪声。数字滤波器可有效去除电路板上供电电压的噪声。因此，AD7731芯片比传统的高精度转换器具有更强的抗干扰能力。但是，由于AD7731的分辨率非常高，因此在设计PCB电路板时，要十分注意屏蔽层设计和元件布局的位置关系。

·PIC单片机及串口通信模块：控制AD7731芯片完成数据采集，并将接收到的数据通过RS232串行口发送到上位机。电路中有关单片机和串口通信的电路如图6所示。

图中，MAX232芯片负责完成TTL电平到RS232电平的转换，以便单片机和PC机之间能够正常通信。在本测试仪中，RS232串行口的通信速率采用9600bps，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。

软件部分

热敏电阻测试仪下位机软件主要完成两项任务：

·通过SPI总线控制AD7731芯片进行数据采集，并将采集到的数据读入本机内部。

·正确配置串口通信模块，按协议规定的速率将数据发送到上位机。

具体操作流程如图7所示。其中，SPI和USART都属于单片机内部模块，只需对模块的相关寄存器进行设定即可，而对于AD7731芯片的控制则需要通过SPI模块间接进行。

上位机部分

微软公司出品的Visual Studio 6.0是常用的编程工具，热敏电阻测试仪的上位机软件用该工具编写。上位机程序的主要功能是接收从下位机通过RS232发送来的A/D转换数据，对其进行处理，并将处理完成后的结果填写到Excel表格中，供用户进行处理。在数据处理过程中采用了KALMAN数字滤波器，进一步提高了温度的测量精度。系统通过OLE自动化技术将数据填写到Excel工作表中，如果用户对数据有进一步要求，可自行对数据进行处理。程序可满足不同用户的需求。

测试仪的上位机界面简明，用户操作简单。其主界面如图8所示。

在主界面的上部有四个按钮控件分别为：开始、停止、设置和帮助。

开始按钮：按下后，可启动对微软通信控件产生的OnComm消息的处理程序，启动Excel模板文件mytest.xlt，以供显示数据使用。

停止按钮：停止对OnComm消息的处理程序，刷新下部状态栏的显示数据。

设置按钮：实现对温度的校准、测量范围测量间隔的设置、测试仪内部参数的设置。在对内部参数进行设置时，要先输入密码，以防止对校准数据进行误操作。

在参数设置界面中可以对温度、测量范围、内部参数进行设定。之后数据被写入文件，再次启动程序时所设定的参数会被自动读入。

帮助按钮：启动帮助文件。在帮助文件中对软件的操作进行详细说明。包括硬件的连接、操作规程等。

结语

随着传感器技术的不断进步，热敏电阻的理论研究和应用开发已取得了引人注目的成果。作为生产过程的最后一个环节的热敏电阻测试，提高其检测效率，必然会缩短产品生产时间，并降低生产成本，使热敏电阻的应用更加广泛。