摘  要： 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)，并以盡可能少的元件構(gòu)成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用PT100型金屬鉑電阻溫度特性，使用三線制接法，采用STC12C5A16S2型單片機(jī)芯片對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。使用工業(yè)上常用的RS485總線作為溫度傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞?，以提高信息傳輸?shù)目煽啃?。通過(guò)在高低溫環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該溫度采集系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體熱敏電阻器； 溫度控制； 單片機(jī)

     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?br /> 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。
    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：
  
    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：
    
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)果滿足實(shí)際需求。
    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?，提高了信息傳輸?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。
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