摘  要： 以半導體器件的物理特性和電學特性為依據，設計了一種低溫自啟動恒溫加熱器，保證系統內部溫度處于芯片正常工作范圍內，并以盡可能少的元件構成完整的閉環控制系統。利用PT100型金屬鉑電阻溫度特性，使用三線制接法，采用STC12C5A16S2型單片機芯片對溫度信號進行采集。使用工業上常用的RS485總線作為溫度傳輸的通訊方式，以提高信息傳輸的可靠性。通過在高低溫環境下實驗，驗證了該溫度采集系統的可行性。
關鍵詞： 半導體熱敏電阻器； 溫度控制； 單片機

     溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業生產和科學實驗中一個非常重要的參數[1]， 因此在航空航天、船舶、機械制造等領域中，都需要對環境溫度進行檢測。目前最常使用的測量溫度的設備是溫度傳感器，但由于集成芯片工作環境的限制，使得溫度傳感器采集與傳輸必須在一定的環境條件下才能使用。本文通過對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，從而保持傳感器內部溫度處于芯片正常工作范圍內，使其能夠滿足低溫工作環境的要求。利用PT100型金屬鉑電阻的溫度特性，使用單片機對溫度進行采樣，實現了對溫度的測量；并采用RS485總線進行通訊，以提高信息傳輸的可靠性。
1 溫采集功能組成
    系統設計主要包括兩部分：溫控部分和溫度采集及數據變送部分,其示意圖如圖1所示。
    溫度采集系統采用恒溫基板加熱的方式對關鍵電路部分進行局部恒溫加熱。溫控電路的主要功能是通過熱敏電阻對溫度的阻值特性來控制電阻絲加熱通斷，最終達到控制溫度采集盒內部溫度的目的。溫度采集部分的主要功能是通過STC12C5A16S型單片機芯片完成溫度信息的采集，并通過RS485總線將采集到的電阻值傳送到遠處終端。
2 溫控部分的原理分析
    溫控的設計思路是利用熱敏電阻和三極管的導通特性,控制電阻絲的加熱狀態,從而達到控制溫度采集系統內部溫度的目的。
    熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，包括正溫度系數熱敏電阻(PTC)、負溫度系數熱敏電阻(NTC)和臨界溫度熱敏電阻(CTR)，當溫度變化時,其阻值也發生變化。NTC(Negative Temperature Coefflcient)是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻,在電子線路、自動控制以及傳感技術中都有廣泛的應用[2]。NTC電阻RT與溫度之間為指數曲線關系，其經驗公式為：
  
    由于未知系數A、B與晶體管加工工藝有關，難以直接計算,可采取實驗的手段測量若干組數據，聯立方程組求解，進而推導參數A和B的值。將設計中所用型號的三極管置于恒溫箱內冷凍，測量其hFE值。實測室溫(300 K)下，hFE=146;-60℃（213 K）時,hFE=64，建立超越方程組：
    
3 溫度采集部分的設計
3.1溫度信息調理的設計
    電阻式溫度傳感器RTD(Resistance Temperature Detector)本質是一種阻值會隨溫度的改變而改變的電阻。PT100溫度傳感器具有測量范圍廣(為-200℃～+650℃)、偏差小、響應時間短、抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點，因此得到了廣泛的應用[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溫電路，可將PT100的兩側相等的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除[4-5]。AD780AR型芯片是一種能夠提供高精度電壓輸出的芯片，當輸入電壓在4 V~36 V之間時，能夠提供2.5 V精準電壓輸出。采用該芯片輸出的精準電壓作為電橋臂的輸入,用于提供精確的參考電壓。LM124型運算放大器的作用是信號放大和隔離，采用該型運算放大器用于對橋臂輸出的電壓進行放大輸出，以便后端采集和變送。
3.2 溫度采集和傳送電路的設計
    溫度信息號經溫度信息調理電路的放大、隔離輸出以后，由后端電路對該信號進行采集和變送。
    STC12C5A16S2是一款新型的單片機，由中央處理器（CPU）、程序存儲器、數據存儲器、定時/計數器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看門狗及片內振蕩等模塊組成。利用單片機的AD采樣接口完成對溫度信號的采樣；并通過SN75LBC175A和SN75LBC174A型芯片進行TTL電平到RS485總線的電平轉換，完成溫度信號數據傳送至遠程控制中心的任務。溫度調理、采集及變送示意圖和部分電路圖如圖3和圖4所示。

4 試驗數據及結果分析
    采用RS485/RS232轉換器、利用熱敏電阻的導通特性并且結合熱電阻的功耗，在環境試驗箱高、低溫度下測得的數據如表2和表3所示。

    由高、低溫試驗數據可知，該溫度采集系統能夠實現在高、低溫環境下溫度測量的功能，其測量結果滿足實際需求。
    本文以半導體器件的物理特性和電學特性為依據，設計了一種低溫自啟動恒溫加熱器，保證系統內部溫度處于芯片正常工作范圍內。利用PT100型金屬鉑電阻溫度特性，利用三線制接法和STC12C5A16S2型單片機對溫度進行測量，并采用工業常用的RS485總線作為溫度信息傳輸的通訊方式，提高了信息傳輸的可靠性。最后，通過高、低溫環境下的實驗，驗證了系統設計的可行性，對相關研究具有參考價值。
參考文獻
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[2] 鄭云光，郭維廉，李樹榮.低溫硅雙極晶體管的研制和特性分析[J].半導體學報，1994，15(11)：782-789.
[3] 胡鴻志.基于新型溫度傳感器的數字溫度計設計[J]. 電子測量與儀器學報,2011,25(8)：741-744.
[4] 黃慧，殷興輝.基于DS18B20的高分辨率溫度數據采集[J].電子測量技術，2009，32(6)：131-133．
[5] 劉寧，張朝宣，黃昌清，等.船用發電機電力參數監測儀的設計[J].數字技術與應用，2011(4):153-154.