基于AVR单片机对热敏电阻的温度测量

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1 负温热敏电阻 

PSB型负温热敏电阻由Co,Mn,Ni等过渡金属元素的氧化物组成,经高温烧成半陶瓷,利用半导体毫微米的精密加工工艺,采用玻璃管封装,耐温性好,可靠性高,反应速度快、灵敏度高。他采用轴向型结构,便于安装,能承受更高温度,且玻璃封装耐高低温(-50~350℃)。PT-25E2热敏电阻温度阻值变化曲线图如图1所示。
2 AVR单片机测温原理
温度测量电路如图2所示,标准电阻Rp,热敏电阻Rt,电容C1与AVR单片机三个引脚相连。其中PC0,PC1为一般普通IO引脚,CP1为捕获触发输入引脚,可以设定上升沿触发捕获中断。
Rp为100 kΩ的精密电阻;Rt为100 kΩ精度为1%的热敏电阻;C1为0.1μF的瓷片电容。

其工作原理为:
先将PC0,PC1,CP1都设为低电平输出,使C1完全放电。
接着将PC1,CP1设置为输入状态,PC0设为高电平输出,通过Rp电阻对C1充电,同时启动内部定时器从零开始计时。电容实际充电曲线如图3所示,当C1上的电压逐步升高到Vh,CP1检测出电压达到单片机高电平输入门槛电压时,将定时器计数值捕获,从而测出从开始充电到CP1转变为高电平的时间Tp。
再次将PC0,PC1,CP1都设为低电平输出,使C1完全放电。
随后将PC0,CP1设置为输人状态,PC1设为高电平输出,通过Rt电阻对C1充电,过程同上,得到时间Tt。

通过单片机计算得到热敏电阻Rt的阻值,并通过查表法可以得到温度值。
从上述可以看出,该测温电路的误差来源于这几个方面:单片机的定时器精度,精密电阻Rp的精度,热敏电阻Rt的精度,而与单片机的输出电压值、门槛电压值、电容精度无关。因此,适当选取热敏电阻Rt和精密电阻Rp的精度,单片机的工作频率够高,就可以得到较好的测温精度。
3 AVR捕获
本文以AVR系列中高性价比的ATmage88为例,利用16位时钟单元T/C1的捕获中断来实现电容充电时间的测量,单片机时钟选择8 MHz。输入捕获单元方框图如图4所示。当引脚ICP1上的逻辑电平(事件)发生了变化,并且这个电平变化为边沿检测器所证实,输入捕捉被激发:16位的TCNT1数据被复制到输入捕捉寄存器ICR1,同时输入捕捉标志位ICF1置位。如果此时ICIE1为1,输入捕捉标志将产生输入捕获中断。
ATmega88在3.3 V供电时,当电容电压上升到1.84 V时,如图3所示,发生捕获中断。

4 软件设计
基于ATmage88捕获中断测温程序流程图如图5所示,包括主程序流程图,捕获中断流程图和定时溢出中断流程图。
ATmage88定时器初始化涉及TCCR1B,TIMSK1控制寄存器的配置,介绍如下:
ICNC1:输入捕捉噪声抑制器,“1”启用;
ICES1:捕捉触发沿选择,“1”上升沿,“0”下降沿;
CS1[2:0]:时钟选择,有多种预分频时钟可供选择;
ICIE1:T/C1输入捕捉中断使能;
TOIE1:T/C1溢出中断使能。
定时器T1初始化代码如下(AVR-GCC):

其中宏定义Tp=0;Tt=1;需要定义数组:
uint16_t timeL[2],timeH[2],counter[2]
当测量时间超过定时器最长计时时,定时器会溢出,定时器T1溢出中断函数代码如下:
最后通过查表法就可以得到测量的温度。查表温度间隔一般为1℃,如果忽略热敏电阻1℃以内的非线性误差,可以将两摄氏度之间取线性计算,这样可以得到0.1℃的分辨率。

5 结 语
笔者应用该方法已设计出一款温度计,在范围-10~80℃时,分辨率达到0.1℃,误差在0.5℃以内。本文充分利用了AVR的捕获功能,使得电路简洁,成本低廉。
 

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