基于STC12C5A16S2的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鑫，崔忠林，劉 建

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽 合肥230088）

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)[1]，因此在航空航天、船舶、機(jī)械制造等領(lǐng)域中，都需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。目前最常使用的測(cè)量溫度的設(shè)備是溫度傳感器，但由于集成芯片工作環(huán)境的限制，使得溫度傳感器采集與傳輸必須在一定的環(huán)境條件下才能使用。本文通過(guò)對(duì)NTC型熱敏電阻的溫度變化特性和晶體管物理特性的分析，采用熱敏電阻與三極管控制電阻絲加熱的通斷，從而保持傳感器內(nèi)部溫度處于芯片正常工作范圍內(nèi)，使其能夠滿(mǎn)足低溫工作環(huán)境的要求。利用PT100型金屬鉑電阻的溫度特性，使用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的測(cè)量；并采用RS485總線進(jìn)行通訊，以提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 溫采集功能組成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩部分：溫控部分和溫度采集及數(shù)據(jù)變送部分,其示意圖如圖1所示。

圖1 低溫采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溫度采集系統(tǒng)采用恒溫基板加熱的方式對(duì)關(guān)鍵電路部分進(jìn)行局部恒溫加熱。溫控電路的主要功能是通過(guò)熱敏電阻對(duì)溫度的阻值特性來(lái)控制電阻絲加熱通斷，最終達(dá)到控制溫度采集盒內(nèi)部溫度的目的。溫度采集部分的主要功能是通過(guò)STC12C5A16S型單片機(jī)芯片完成溫度信息的采集，并通過(guò)RS485總線將采集到的電阻值傳送到遠(yuǎn)處終端。

2 溫控部分的原理分析

溫控的設(shè)計(jì)思路是利用熱敏電阻和三極管的導(dǎo)通特性,控制電阻絲的加熱狀態(tài),從而達(dá)到控制溫度采集系統(tǒng)內(nèi)部溫度的目的。

熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，包括正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度熱敏電阻(CTR)，當(dāng)溫度變化時(shí),其阻值也發(fā)生變化。NTC(Negative Temperature Coefflcient)是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,在電子線路、自動(dòng)控制以及傳感技術(shù)中都有廣泛的應(yīng)用[2]。NTC電阻RT與溫度之間為指數(shù)曲線關(guān)系，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中,RT為熱敏電阻在絕對(duì)溫度T時(shí)的電阻值；β是由材料決定的常數(shù)，取決于材料的成分和制造方法；R0為熱敏電阻在 T0時(shí)的阻值。由式(1)可知，熱敏電阻隨著溫度的增加，其阻值迅速下降，表1為常溫下測(cè)得的電阻變化數(shù)據(jù)。

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，則變?yōu)榫€性關(guān)系式;采用最小二乘法擬合，計(jì)算系數(shù)β，再推至-80℃。三極管必須確定兩個(gè)參數(shù)：BE結(jié)正向?qū)妷?UBEON)和電流放大系數(shù)(hFE)。UBEON在低溫條件下會(huì)上升，導(dǎo)致三極管的導(dǎo)通門(mén)限提高，UBEON與溫度T的關(guān)系為：

表1 溫度變化時(shí)熱敏電阻的阻值變化

式中，Vg為上拉電壓，K為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度，q為電子電荷，IF為PN結(jié)正向電流，B為與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù)。

對(duì)于三極管來(lái)說(shuō)，受溫度影響最嚴(yán)重的是電流放大系數(shù)（hFE值）。低溫條件下，三極管hFE值急劇下降，其放大能力減弱，三極管β值隨溫度變化的關(guān)系式十分復(fù)雜。在載流子飽和區(qū)，電流放大系數(shù)與溫度T的關(guān)系式為：

式中，Dnb為基極電子擴(kuò)散系數(shù),Dpc為集電極空穴電子擴(kuò)散系數(shù),We為發(fā)射極寬度,Wb為基極寬度,NDe為電子摻雜濃度,NAb為施主離子摻雜濃度,ΔEge為發(fā)射極禁帶寬度變窄量,ΔEgb為基極禁帶寬度變窄量。式(3)中僅一項(xiàng)與溫度T相關(guān)，其余皆為與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù)項(xiàng)，因此可將上式簡(jiǎn)化為：

由于未知系數(shù)A、B與晶體管加工工藝有關(guān)，難以直接計(jì)算,可采取實(shí)驗(yàn)的手段測(cè)量若干組數(shù)據(jù)，聯(lián)立方程組求解，進(jìn)而推導(dǎo)參數(shù)A和B的值。將設(shè)計(jì)中所用型號(hào)的三極管置于恒溫箱內(nèi)冷凍，測(cè)量其hFE值。實(shí)測(cè)室溫(300 K)下，hFE=146;-60℃（213 K）時(shí),hFE=64，建立超越方程組：

聯(lián)立求解式(5)，忽略所有虛根并保留實(shí)根，得：A=1 099，B=605；再帶回式(4)，可擴(kuò)展計(jì)算出-80℃溫度范圍三極管的hFE變化關(guān)系。

三極管的電流放大系數(shù)隨著溫度的降低而下降，到-60℃時(shí)電流放大系數(shù)大約為70。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)可將兩個(gè)晶體管進(jìn)行達(dá)林頓連接，增加晶體管的基極電流放大系數(shù)，達(dá)到增大電流的目的。當(dāng)采用這種連接方式后，晶體管和金屬絲的熱損耗為:

其中,UBE、ICE分別為基集與發(fā)射極間的電壓和電流，發(fā)射 極輸出電 流 Ie=hFEQ2、hFEQ3Ib2≈5 600 Ib2,hFEQ2、hFEQ3分別為晶體管Q2、Q3的放大系數(shù)，Ib2為經(jīng)過(guò)Q2的基極電流。

溫度控制部分電路示意圖如圖2所示。由熱敏電阻阻值隨溫度變化的特性，通過(guò)設(shè)置偏置電路電阻，使得當(dāng)?shù)蜏夭杉到y(tǒng)內(nèi)部的溫度低于-40℃時(shí)，晶體管 Q1接通電阻絲加熱；當(dāng)電阻絲加熱使得低溫采集系統(tǒng)內(nèi)部的溫度高于 10℃時(shí)，通過(guò)單片機(jī)發(fā)出關(guān)閉信號(hào)使晶體管Q4斷開(kāi)，故電阻絲斷開(kāi)，停止對(duì)電路的加熱。通過(guò)上述的加熱、啟動(dòng)順序，可保證溫度采集電路一直工作于正常的溫度范圍內(nèi)，從而保障極低環(huán)境下系統(tǒng)的正常工作。

圖2 溫控部分電路圖

3 溫度采集部分的設(shè)計(jì)

3.1 溫度信息調(diào)理的設(shè)計(jì)

電阻式溫度傳感器RTD(Resistance Temperature Detector)本質(zhì)是一種阻值會(huì)隨溫度的改變而改變的電阻。PT100溫度傳感器具有測(cè)量范圍廣(為-200℃～+650℃)、偏差小、響應(yīng)時(shí)間短、抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[3]。利用PT100型金屬鉑電阻作為溫度采集電路中的溫度敏感型器件，采用典型橋式鉑電阻的三線制測(cè)溫電路，可將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除[4-5]。AD780AR型芯片是一種能夠提供高精度電壓輸出的芯片，當(dāng)輸入電壓在4 V～36 V之間時(shí)，能夠提供2.5 V精準(zhǔn)電壓輸出。采用該芯片輸出的精準(zhǔn)電壓作為電橋臂的輸入,用于提供精確的參考電壓。LM124型運(yùn)算放大器的作用是信號(hào)放大和隔離，采用該型運(yùn)算放大器用于對(duì)橋臂輸出的電壓進(jìn)行放大輸出，以便后端采集和變送。

3.2 溫度采集和傳送電路的設(shè)計(jì)

溫度信息號(hào)經(jīng)溫度信息調(diào)理電路的放大、隔離輸出以后，由后端電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集和變送。

STC12C5A16S2是一款新型的單片機(jī)， 由中央處理器 （CPU）、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看門(mén)狗及片內(nèi)振蕩等模塊組成。利用單片機(jī)的AD采樣接口完成對(duì)溫度信號(hào)的采樣；并通過(guò)SN75LBC175A和SN75LBC174A型芯片進(jìn)行TTL電平到RS485總線的電平轉(zhuǎn)換，完成溫度信號(hào)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程控制中心的任務(wù)。溫度調(diào)理、采集及變送示意圖和部分電路圖如圖3和圖4所示。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

采用RS485/RS232轉(zhuǎn)換器、利用熱敏電阻的導(dǎo)通特性并且結(jié)合熱電阻的功耗，在環(huán)境試驗(yàn)箱高、低溫度下測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

由高、低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在高、低溫環(huán)境下溫度測(cè)量的功能，其測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)際需求。

表2 低溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 高溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

本文以半導(dǎo)體器件的物理特性和電學(xué)特性為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種低溫自啟動(dòng)恒溫加熱器，保證系統(tǒng)內(nèi)部溫度處于芯片正常工作范圍內(nèi)。利用PT100型金屬鉑電阻溫度特性，利用三線制接法和STC12C5A16S2型單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，并采用工業(yè)常用的RS485總線作為溫度信息傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞剑岣吡诵畔鬏數(shù)目煽啃?。最后，通過(guò)高、低溫環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)相關(guān)研究具有參考價(jià)值。

[1]陳 輝，陶中幸，楊小川.半導(dǎo)體熱敏電阻在溫度控制中的應(yīng)用[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，25(1)：48-51.

[2]鄭云光，郭維廉，李樹(shù)榮.低溫硅雙極晶體管的研制和特性分析[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，1994，15(11)：782-789.

[3]胡鴻志.基于新型溫度傳感器的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(8)：741-744.

[4]黃慧，殷興輝.基于DS18B20的高分辨率溫度數(shù)據(jù)采集[J].電子測(cè)量技術(shù)，2009，32(6)：131-133.

[5]劉寧，張朝宣，黃昌清，等.船用發(fā)電機(jī)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011(4):153-154.