方案論證與比較
加熱方法方案論證
方案一、采用水熱法進行加熱，這是原系統(tǒng)的加熱方法，加熱不均勻，加熱不易控，水灑在實驗室很容易造成安全事故。
方案二、采用渦流加熱器進行加熱，加熱可控度最好，安全，但價格過高。
方案三、采用軟鐵進行加熱，加熱可控，安全，且價格低廉。
通過比較，同時結(jié)合本實驗系統(tǒng)要求并不十分嚴格，選擇方案三。
單片機選擇方案論證
方案一、采用51單片機，這是目前市場上最通用的單片機，價格最低廉，但容易受到外部干擾，不適合本系統(tǒng)的加熱環(huán)境，且使用較為麻煩，沒用內(nèi)部AD，需要外部擴展元件較多。
方案二、采用ARM單片機，這是一種高端單片機，適合處理數(shù)據(jù)計算量大的系統(tǒng)，因此對本系統(tǒng)用處不大，且這種單片機也易受外部干擾，價格過高。
方案三、采用AVR單片機，這是先進的低端單片機，使用簡單，有自帶10位AD，受外部干擾很小。價格適中。同時它還具有其它眾多優(yōu)點。AVR單片機的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本， AVR單片機可以提供高達16MIPS的執(zhí)行時間，具有128K字節(jié)的可編程Flash存儲器，同時具備4096字節(jié)的靜態(tài)RAM。AVR單片機自帶看門狗定時器，在強烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運算速度;I/O端口引腳數(shù)多達32根。
通過比較，選擇方案三。
電阻測量方案論證
方案一、采用內(nèi)部AD，通過伏安法，分別直接測量元件兩端電壓及電流，這種方法簡單容易實現(xiàn)，但精度很低，且由于電流較大，容易對單片機造成損害。
方案二、采用H橋法，這種方法精度高，但電路復雜，且難以用單片機實現(xiàn)，不易控制。
方案三、采用穩(wěn)壓電源提供合適的電壓，再串聯(lián)標準電阻分壓，再通過單片機內(nèi)部AD測量元件的電流，從而獲得元件的阻值。這種方法容易實現(xiàn)，精度較高，安全可靠。
方案四、采用穩(wěn)壓電源提供合適的電壓，再串聯(lián)標準電阻分壓，再通過單片機內(nèi)部AD測量元件的電壓，從而獲得元件的阻值。具有方案三的各項特點，同時由于AVR單片機對電壓測量比電流測量更加簡單精確，因此精度更高。
通過比較，選擇方案四。
系統(tǒng)設(shè)計
熱敏電阻特性曲線測試系統(tǒng)(圖1)包括下列部分：
1、以功能強大的AVR單片機為核心控制部件;
2、利用PWM和溫度傳感器傳回的溫度信息對加熱部件進行控制;
3、通過溫度傳感器(18b20)測量溫度，并實時對加熱環(huán)境進行監(jiān)控;
4、設(shè)計高穩(wěn)壓電源，利用標準電阻分壓及內(nèi)部A/D方法進行間接電阻測量;
5、通過LED進行數(shù)據(jù)信息顯示。
圖1 總體框架圖
穩(wěn)壓電源模塊電路設(shè)計
由于我們通過標準電阻分壓法測量待測電阻，因此需要高穩(wěn)壓電源。
通過變壓、整流和RC電路把交流220v市電變?yōu)樾‰妷褐绷鞣€(wěn)壓，再接入1117穩(wěn)壓芯片輸出高穩(wěn)壓電源。1117輸出電壓可精確調(diào)節(jié)，見圖2。
圖2 電源電路圖
溫度測量模塊電路
溫度傳感器18B20將被測環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成帶符號的數(shù)字信號(以十六位補碼形式，占兩個字節(jié))，輸出引腳I/O直接與單片機的I/O相連，傳感器采用外部電源供電。AVR單片機是整個裝置的控制核心。顯示器模塊由四位一體的共陽數(shù)碼管組成。系統(tǒng)程序分傳感器控制程序和顯示器程序兩部分，傳感器控制程序是按照18B20的通信協(xié)議編制。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對傳感器的讀寫和對溫度的顯示。CPU對18B20的訪問流程是：先對18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。溫度測量電路示于圖3。
圖3 溫度測量電路
電阻測量模塊電路
我們采用單片機內(nèi)部ADI測量待測材料電壓的方法來間接測量其阻值。具體方法為：利用外部穩(wěn)壓電源給待測材料和標準電阻的串聯(lián)電路提供8伏直流電壓。這樣在已知標準電阻阻值R0和測得的待測材料電壓U的情況下就可求出待測電阻阻值Rx：
Rx=R0×U/(8-U)
應該注意，單片機內(nèi)部A/D只能測量不超過VCC的電壓，因此在本電路(圖4)中，待測材料最大可測阻值不超過R0×5/8。若要讓可測阻值范圍增大，可以加大標準電阻阻值。但同時精度也會降低，因此要根據(jù)需要選擇合適的最低阻值的標準電阻。
圖4 電阻測量模塊電路
加熱模塊電路
采用穩(wěn)壓PWM和光耦合技術(shù)來控制加熱速度，使待測電阻材料在合適的時間內(nèi)加熱到預定溫度范圍。加熱速度控制在20到30分鐘內(nèi)上升100攝氏度是合適的。在其他特殊情況下，也可以通過PWM來調(diào)節(jié)加熱速度加熱電路示于圖5。
圖5 加熱電路設(shè)計
軟件設(shè)計
主程序設(shè)計
由于處理器速度較快,所以采用c語言編程方便簡單。軟件流程圖示于圖6、圖7和圖8。
圖6 主程序流程圖
圖7 18b20測溫程序流程圖
圖8 電阻測量程序流程圖
系統(tǒng)測試
測試工具：標準熱敏電阻
測試方法：利用本系統(tǒng)測得標準熱敏電阻材料的熱敏特性曲線。與標準熱敏電阻的標準特性曲線進行比較。實驗表明，在一定溫度范圍內(nèi)，半導體材料的電阻RT和絕對溫度T的關(guān)系可表示為，兩邊取自然對數(shù)、得到：ln RT=b/T+C。若以自變量1/t為橫坐標，ln RT為縱坐標，則上式圖象基本是一直線。得到特性圖示于圖9。
由圖9可看出，特性曲線基本為直線，由于任何熱敏電阻都不可能在大溫度范圍內(nèi)保持線性性，在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)測試成功。
結(jié)語
由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題目要求的各項指標：
·可滿足熱敏電阻特性曲線測試要求;
·可實現(xiàn)自動控制與處理，提高實驗精度;
·安全性能明顯提高。
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