还剩2页未读,继续阅读
文本内容:
基于热敏电阻的新型温度检测装置研究与实现*刘二林1,姜香菊2(1兰州交通大学甘肃兰州,730070)(2兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州,730070)摘要将温度传感器采集得到的信号经A/D转换器转换,然后送往单片机进行处理从而得到相应的温度值是目前温度检测的常用方法本设计一改传统的设计模式,利用单片机P1口的电路特殊性,设计出一种温度检测装置,并对此进行了误差分析此电路设计结构简单,测量精度较高,有很强的实际应用价值关键词单片机;热敏电阻;温度检测Abstract:ThecommonmethodoftemperaturemeasurementiscapturingthesignalbyA/DconverterandthenisprocessedbySingle-chip.ThedesignChangesthetraditionaldesignpatternwhichusesA/Dconvertertomeasure.ItusesP1tocapturethesignalandthentemperatureisgotthroughcalculationbySingle-chip.Itisshowedthatthedesignisreasonablethrougherroranalysis.Thisdesigncircuitissimplemeasurementprecisionishighandthepracticalapplicationisstrongvalue.Keywords:Single-chip;Thermistor;Temperaturemeasurement中图分类号TP216文献标识码B文章编号1001-9227201002-0084-030引言温度是化工行业生产中常见的和最基本的工艺参数之一,任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关,与之相对应,温度检测装置的设计也层出不穷的出由热敏电阻的B值公式为1现目前,随着市场的需要,化工教学实验仪器产业飞速发展,从而使化工教学实验仪器厂家对温控仪的控制精度及可靠性方面的要求不断提高例如恒温水浴槽(河南英峪予华仪器厂产品),其控制的精度一般要达到
0.1°,在这种情况下,设计者就不得不考虑在降低成本的情况下如何来提高精度,从而满足客户的需求本设计就是针对温控仪的温度检测部分进行的改进1传统的温度检测装置分析(以热敏电阻为例)
1.1传统的电路设计及公式推导传统的温度检测装置一般由热敏电阻、放大及调理电路、A/D转换器、MCS-51系列单片机芯片等几部分组成,其电路框图如图1所示其原理是把热敏电阻两端的电压值(模拟量)经过A/D转换器(变为数字量)送到单片机中,然后再通过公式求得温度值收稿日期:2009-11-18*甘肃省自然科学基金项目0803RJZA015式中,B为NTC热敏电阻的B值,由厂家提供同时,厂家也会提供额定零功率电阻值阻值R25;T
1、T2为绝对温标;RT
1、RT2为热敏电阻在温度分别为T
1、T2时的电阻值由式1式可得2由B值定义可知,在T1=
298.15K(在25℃时的热力学温度)时,RT1=R1,设温度为T2时热敏电阻的分压值为V2,则3由式3可得4将式4代入式2得5所以6假设8位ADC输出值为N,则,换算为摄氏温度后则T=T2-
273.
151.2电路在设计方面存在的问题从电路设计上我们可以看出其设计弊端为
①电路较为复杂,这会增加成本、降低可靠性
②ADC输入端口有限,限制了多点测量《自动化与仪器仪表》2010年第2期(总第148期)当然,目前大多数单片机带有A/D转换器,这在某种程度上简化了电路的设计,但是还是没有彻底解决电路复杂的问题
1.3电路在误差方面存在的问题
①因为传统的设计使用了A/D转换等元器件,所以,在具体设计的过程中就可能出现热敏电阻的输出小于A/D转换的输入值为了解决这种问题,就需要降低A/D转换器的精度
②A/D转换器自身存在的误差及分辨率问题
③由于电路复杂,使用的元器件较多这样就不可避免的存在热敏电阻存在的误差、运算放大存在的误差、增益设置电阻存在的误差、电压基准误差、假定的恒定电流存在的误差等这么多的误差势必会使测温电路整体误差变大,进而超出测量允许误差范围2新型温度检测装置的硬件设计
2.1设计的基本原理为了解决上述问题,设计提出了一个全新的设计方案这个方案用的也是热敏电阻和8051单片机,但是省去了A/D转换这个步骤,结构简单,容易实现具体原理如下在电容的各种状态相同的情况下(主要指电容的电压)先给电容C充电,用热敏电阻R1和电容相串联并给电容放电,并用单片机内部的定时器/计数器对电容放电时间进行计数,并计算出放电时间T1’;同理,用精密电阻R2和电容相串联,在相同条件下给电容放电从而计算出另一个放电时间T2’由电容放电公式(Uc与U以伏计,T以秒计,R以欧姆计,C以法计)可知由于通过R1和R2对电容放电是采用同一个电容放电,所以Uc与U相同,进而可以得到出特性可知,P1口在输入低电平时范围为(-
0.5V~
0.8V),在输出高电平时为
2.4V由公式可以看出,假设U为
2.4伏特,U为
0.8伏特,则e-T/RC=
0.333,所以T=
1.099*RC由此可看出,只要我们适当调整电阻及电容的取值就可以得到适当的时间图2检测装置的硬件电路3新型温度检测装置软件设计首先将P
1.0与P
1.1口设置为输入状态,将P
1.2设置为高电平输出,并延迟一定时间,让P
1.2充分给电容充电至电容的电压达到高电平(
2.4V左右)然后将P
1.2设置为输入状态,将P
1.0设置为输入状态,P
1.1设置为低电平输出,并启动定时器/计数器当P
1.2的输入由高电平变为低电平时,停止计时并读取定时器/计数器的值,计算出放电时间T1’同理,再次通过P
1.2给电容充电,并通过P
1.1给电容放电,并获得放电时间T2’最后利用式8计算出所求值,其软件流程图如图3所示由式1和式7可得又因为R2=RT1,T2’及T1’由单片机测出所以78在本设计中,组件参数为C=100×10-6F,R1=10k(R为热敏电阻在25摄氏度时的阻值,精度为1%,B=3000k,R2=10k(精密电阻,精度为
0.1%)
2.2硬件电路设计检测装置硬件电路如图2所示,在设计中,用P
1.0与热敏电阻R1端相连,用P
1.1与精密电阻R2端相连,P
1.2口则用于给电容C充电在具体计算过程中,必须使放电时间保持在一定范围内以方便计算,所以,应该对电阻及电容的取值进行设定,从而得到合适的放电时间由51系列单片机的输入输4温度检测装置的误差估算由式7知,热敏电阻阻值与T1’、R
2、T2’三个参数有关由三元函数Y=FX1X2X3的误差传递基本公式可知859对于同一个51单片机来说,其定时精度是一样的,所以由可以得到10由式7和式10可得11所以,通过分析可知,R1的测量误差仅与R2的误差有关同时又因为热敏电阻R1在测量温度时自身会存在误差,所以对于同一系统可以将两种误差算术相加从而得到最终误差由此可看出,假定选取精度足够的精密电阻,便可以得到相应精度的测量温度5设计的创新点基于热敏电阻的新型温度检测装置研究与实现刘二林,等从以上叙述可以看出,设计一改以往的设计模式,仅用单片机及热敏电阻就实现了温度的测量,简单,实用同时,从精度上看,测量电阻的误差仅与电阻的精度及单片机的计时精度有关,在某种程度上提高了设计的精度当然,电容放电公式中的R指的是电路中的全部电阻(包括电源内部电阻),但是当设计时采用较大的电阻时,则可用大电阻的阻值代替回路的电阻,这虽然会对整体的计算有一定的影响,但是影响不大参考文献1张开生郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计[J].微计算机信息200521-7:68~702程真.一种多路温度检测系统设计[J].商业现代化20077:233刘军李建伟李慧琴.基于模糊PID的通用中档单片机[J].科学技术与工程20078:3934~39364徐崇李志.热敏电阻的性能指标B对温度T特性的影响[J].鞍山科技大学学报20076:236~23886基于热敏电阻的新型温度检测装置研究与实现刘二林,等图1传统温度检测装置的电路框图c图3程序流程图1上接第83页Rmin为在柱塞同一行程位置测得的一组添加剂加注比按图4所示的流程,将满足三等计量准确度要求、容例的最小值;量为5L的量入量出式标准金属容器,采用启停容积法分结论装置在柱塞不同行程长度处工作时加注添加别获取每次试验过程中添加剂与流量计量值,从而计算添剂的相对极限误差均小于1%,符合技术指标的规定加剂与喷气燃料的比值,分别连续和非连续采集试验数
2.4主要性能与技术指标的对比据,分别在加注泵柱塞相对行程长度100%、75%、50%、30%添加剂加注流量计主要性能与战术技术指标的比较和加注泵排量最小处,依次连续测定五组添加剂与喷气燃如表3所示料体积比数据,各相对行程长度处取单个比例测量值应不表3主要性能与技术指标的比较少于三个(见表2,100%行程罗列完整实验数据,其余行程省略部分数据)加注装置添加剂加注比例的相对极限误差按下式计算由上表可以看出,添加剂加注流量计各项性能均能式中,Rmax为在柱塞同一行程位置测得的一组添加剂满足技术指标的要求加注比例的最大值;3结论添加剂加注流量计无须电机等其他动力机提供动力支持,是一种仅依靠流量计中喷气燃料的流动即可带动添加剂加注泵按预定比例执行添加剂加注作业的装置,同时具备高精度的流量计量和实时的添加剂加注功能,并可以实现添加剂加注比例的实时调整和加注作业的随时控制在飞机加注设备上使用,可以安全、准确、高效地在线加注热安定性等添加剂,对提高飞机的工作可靠性、飞行安图4作业准确度试验流程图全及技战术性能的发挥,具有十分重要的意义表2作业准确度试验记录参考文献1黎文济.喷气燃料应用[M].石油工业出版社1996年2张冬梅张怀安曹文杰等.喷气燃料热安定性对飞机发动机的影响[J].航空制造技术2008年13期:91~933刘济瀛.中国喷气燃料[M].中国石化出版社1991年4黎文济张智勇.未来美国军用航空油料发展概论[M].国防工业出版社1992年。