热电阻温度传感器

【摘 要】本设计是基于ATmega16（L）AVR单片机的热电阻温度传感器。文章介绍了传感器的基本功能及组成情况，传感器主要由四部分组成：电桥、放大电路、A/D转换及LCD1602液晶显示。

【关键词】热电阻 温度传感器 放大器 AVR单片机

一、引言

随着社会的进步和工业技术的发展，许多产品对温度因素要求越来越高，温度的高精度测量是工业生产领域一个重要问题。 温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器，例如自动空调系统、家用电器温度控制中，都需要温度传感器来完成，因为温度是需测量和控制的重要参数之一。本设计一个基于AVR单片机的热电阻温度传感器，用于检测液体温度并将结果直观显示。

二、系统功能分析

根据系统设计要求，可把电路分为模拟部分和数字部分，采用ATmega16（L）AVR单片机作为系统控制核心，主要实现两个功能，一是将待测温度转换为电压并放大，由模拟部分即电桥电路和电压放大电路实现。二是将电压转换为温度并显示，由数字部分完成，即ATmega16（L）AVR单片机和LCD1602液晶显示，单片机将电压进行A/D转换，然后转换为相应的温度，送到LCD显示。

三、系统硬件电路设计

系统控制电路由电桥电路、放大电路、A/D 转换电路及LCD显示电路组成。综合考虑设计要求及系统各项功能实现情况后选择以下方案以实现设计的合理化、实用化及最小成本化。

（一）电桥电路。热电阻的敏感元件阻值随温度发生的变化是很微弱的，必须用专门电路测量这种微弱的变化，最常用电路就是电桥电路。电桥的作用：把电阻片的电阻变化率ΔR/R转换成电压输出，然后提供给放大电路放大后进行测量。为了将约2mV～9mV微弱的电压信号能够较稳定的输出热电阻温度传感器，尽量减少各种干扰，该设计是采用不平衡电桥的±5V恒压源供电法。电桥四臂中只有一臂接入电阻传感器，其余三臂均为固定电阻，则输出电压U0为[1]：

（3.1）

（二）探测器测温方法

电阻温度探测器（RTD）是一根阻值随温度变化而变化的特殊导线。目前铜和铂两种探测器应用较广泛，铂电阻温度传感器有PT100，其电阻温度系数为3.9×10-3/℃，电阻变化率为0.3851Ω/℃，具有测量范围宽、精度高、稳定性好等优点，电阻与温度之间关系接近于线性。为了提高测量精确度，使用铂热电阻Pt100为探测器。为了消除导线电阻受被测温度环境的影响，引线采用三线制测量法。当电桥达到平衡时，有 （3.2）

则

因取，则有 （3.3）

若使 ，则有

由上可知，调节使电桥平衡，可消除环境影响。当Pt100所测温度发生变化时，其电阻相应发生变化，导致输出电压发生变化，输出端产生毫伏级电压，输出电压与温度呈线性关系变化[2]。

（三）放大电路。经分析可知，传感器输出信号是十分微弱的微伏级电压，且易受噪声干扰。因此要有效提取该信号，关键是在放大有用信号时把干扰信号有效地抑制掉，设计还需考虑放大器精度及稳定性。

1.前置放大电路。整个电路的失调电压及漂移与第一级密切相关，因此第一级选用具有超低失调电压和超低漂移的集成运放ICL7650，且第一级承担仪用放大器主要放大作用，则取R2=100K，R1=2K，R3/R4=1。第二级的漂移和失调电压对整个电路的作用大大降低，但其共模抑制比CMRR对整个电路的CMRR影响很大，因此第二级选用价格低且性能优越的低漂移集成运放OP07，其失调电压为45V，温漂为0.3V/℃，增益为450V/mV，共模抑制比为123dB。因第一级增益较大，易引起自激振荡，因此在两个100K电阻两端加上150P的电容。ICL7650是一种斩波稳零运放，斩波频率低（200HZ），其输出信号中含有斩波尖峰噪声，因此第二级差分运放电路又做低通滤波器，对斩波噪声及其它干扰信号抑制效果较好[3]。