CN210089893U - 一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪，包括：热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块、电源模块；所述热敏电阻采集模块与待测的热敏电阻连接；所述温度采集模块和热敏电阻采集模块均设置于加热模块周围，且离加热模块的距离相同；所述热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、显示模块均与控制模块连接；所述热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块均与电源模块连接。本实用新型可以实时测量热敏电阻随环境温度变化的阻值变化，从而对热敏电阻进行特性分析。

Description

一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪

技术领域

本实用新型涉及测量仪器领域，具体是指一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪。

背景技术

热电转换技术是非电量电测技术中应用范围十分广泛的一种。它是把热学量通过传感器转换为电学量来进行测量的技术，是用传感元件的电参数随温度的变化而变化的特性来实现测量的目的。

典型的热电式传感器有热电偶、热电阻和热敏电阻。热敏电阻是一种阻值对温度变化非常敏感的半导体元件，它具有体积小、灵敏度高、使用方便等特点。因此，半导体热敏电阻在自动控制、自动检测及现代产品中被广泛用于温控、遥控，以及测量点温、表面温度、温差等。

现有技术，通常采用惠斯登电桥测量在不同温度下热敏电阻的阻值，这种测量方法成本高、耗电大、操作繁琐、取得数据时间长，不能对测量的数据进行自动保存；更不能对热敏电阻的测量环境进行温度调节，从而无法根据得到的测量数据对热敏电阻的特征进行分析；另外也不能把测量的数据无线传输到上位机进行温度与热敏电阻曲线的快速分析和联网传送。

实用新型内容

本实用新型提供一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪，可以实时测量热敏电阻随环境温度变化的阻值变化，从而对热敏电阻进行特性分析。

为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪，包括：热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块、电源模块；

所述热敏电阻采集模块与待测的热敏电阻连接；

所述温度采集模块和热敏电阻采集模块均设置于加热模块周围，且离加热模块的距离相同；

所述热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、显示模块均与控制模块连接；

所述热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块均与电源模块连接。

进一步地，所述热敏电阻采集模块包括热敏电阻接口、恒流源驱动单元和电压缓冲器；所述恒流源驱动单元的输入端与电源模块连接，用于接入4.5V直流电源；所述热敏电阻接口的第一管脚与第二接地系统连接，第二管脚与恒流源驱动单元的输出端连接，第二管脚还与电压缓冲器的输入端连接；所述电压缓冲器的输出端与控制模块连接；

所述恒流源驱动单元包括第一晶体管、发射极电阻、下偏流电阻和上偏流电阻，所述上偏流电阻为可调节阻值的电位器；第一晶体管的发射极经发射极电阻与恒流源驱动单元的输入端连接，集电极与恒流源驱动单元的输出端连接，基极同时与下偏流电阻和上偏流电阻连接；上偏流电阻的另一端与恒流源驱动单元的输入端连接，下偏流电阻的另一端与第二接地系统连接；

所述电压缓冲器包括运算放大器；运算放大器的同相输入端与热敏电阻接口的第二管脚连接，反相输入端与输出端连接，输出端还与控制模块连接。

进一步地，所述加热模块包括电子开关、固态继电器和加热器，所述电源模块包括24V开关电源；

所述开关电源的输入端与外界220V交流电源连接，开关电源的接地端与第一接地系统连接，开关电源的输出端与加热器的第一端连接，加热器的第二端与固态继电器的第一输出端连接，固态继电器的第二输出端与第一接地系统连接；

所述电子开关包括第二晶体管和基级电阻；第二晶体管的基极经基极电阻与控制模块连接，发射极与电源模块连接，集电极与固态继电器的第一输入端连接；固态继电器的第二输入端与第二接地系统连接。

进一步地，上述测量仪还包括与控制模块连接的无线通讯模块。

进一步地，所述无线通讯模块采用Zigbee无线通信芯片。

进一步地，所述温度采集模块包括型号为DS18B20的温度传感器；所述温度传感器的电源输入端与电源模块连接，信号输入输出端与控制模块连接，电源地端与第二接地系统连接。

进一步地，所述控制模块包括型号为STM32F103C8T6的单片机。

进一步地，所述显示模块采用12864液晶显示屏。

进一步地，上述测量仪还包括程序下载接口，所述程序下载接口与所述控制模块连接。

有益效果

本实用新型利用晶体管输出阻抗大、输出电流恒定的特性设计电阻恒流源驱动模块，为被测的热敏电阻提供稳定的电流源；利用电阻的伏安特性、并通过控制模块利用现有技术计算热敏电阻的阻值；在每次得到热敏电阻的阻值的同时，利用温度采集模块采集热敏电阻的环境温度，并传送至控制模块；多次测量热敏电阻的阻值和相应的环境温度，即可根据所有测量值得到热敏电阻随温度变化的阻值特性曲线，从而对热敏电阻进行特性分性。本实用新型的恒流源稳定，从而热敏电阻的阻值测量准确度高，对热敏电阻的特性分析也相应更准确；结构简单、体积小巧、重量轻，从而操作简单且便于携带；而且功耗小、节约能源。另外，本实用新型利用无线通讯模块，能将测量到的数据实时上传至上位机电脑，便于在上位机端绘制热敏电阻的阻值随温度的变化曲线以及对热敏电阻进行特性分析，而且便于上位机端发送命令至测量仪进行控制操作。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构框图；

图2为本实用新型实施例的整机电路图；

图3为本实用新型实施例的电阻值随温度变化曲线示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本实用新型的技术方案作进一步解释说明。

本实施例提供一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪，以下简称测量仪，用于实时测量热敏电阻随环境温度变化的阻值变化，从而对热敏电阻进行特性分析。该小型智能温度热敏电阻特性测量仪，如图1、2所示，包括热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块、电源模块、程序下载模块和无线通讯模块；所述热敏电阻采集模块与待测的热敏电阻连接；所述温度采集模块和热敏电阻采集模块均设置于加热模块周围，且离加热模块的距离相同，从而使温度采集模块的温度采集端与热敏电阻采集模块的阻值采集端所处的温度环境相同；热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、显示模块、程序下载接口和无线通讯模块均与控制模块连接；热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块和无线通讯模块均与电源模块连接。

本实施例中，电源模块包括2个型号均为LM317的稳压集成芯片，2个稳压集成芯片分别通过调节两个电位器W1、W2，将从外界输入12V直流电压分别转换输出稳定的4.5V直流电压和3.3V直流电压。其中，4.5V直流电压可分四路供给电压，3.3V直流电压可分两路供给电压，具体在下文有关使用该4.5V直流电压和3.3V直流电压的各模块中再进行具体描述。

热敏电阻采集模块包括热敏电阻接口、恒流源驱动单元和电压缓冲器；所述热敏电阻接口与待测的热敏电阻连接；所述恒流源驱动单元的输入端与电源模块连接，接入4.5V直流电源；所述热敏电阻接口的第一管脚与第二接地系统连接，第二管脚与恒流源驱动单元的输出端连接，第二管脚还与电压缓冲器的输入端连接；所述电压缓冲器的输出端与控制模块连接；

所述恒流源驱动单元包括第一晶体管、发射极电阻、下偏流电阻和上偏流电阻，所述上偏流电阻为可调节阻值的电位器；第一晶体管的发射极经发射极电阻与恒流源驱动单元的输入端连接，集电极与恒流源驱动单元的输出端连接，基极同时与下偏流电阻和上偏流电阻连接；上偏流电阻的另一端与恒流源驱动单元的输入端连接，下偏流电阻的另一端与第二接地系统连接；

所述电压缓冲器包括运算放大器；运算放大器的同相输入端与热敏电阻接口的第二管脚连接，反相输入端与输出端连接，输出端还与控制模块连接。

在本实施例中，测量仪包括功能相同且相互独立的2个热敏电阻采集模块，分别为第一热敏电阻采集模块和第二热敏电阻采集模块。其中第一热敏电阻采集模块的恒流源驱动单元由晶体管Q1、发射极电阻R9、下偏流电阻R7和电位器W4构成，第二热敏电阻采集模块的恒流源驱动单元由晶体管Q2、发射极电阻R6、下偏流电阻R4和电位器W3构成。且2个热敏电阻采集模块的电压缓冲器，分别使用同一个型号为LM358的双运放芯片中的两个运算放大器功能。

从晶体管输出特性曲线可知，当晶体管的基极电流确定，其集电极电流就确定，而随着晶体管管压降变化，其上的集电极电流几乎不变，说明其输出阻抗非常大，能够作为恒定的电流源输出，换句话说晶体管Q1的集电极电流能稳定维持在一个常数值。当将待测的热敏电阻R8通过热敏电阻接口接入到测量仪后，晶体管Q1的集电极电流流过可变的热敏电阻R8时，就会产生一个可变的电压值，其关系是一个线性直线方程：y＝kx的函数关系，这样我们就把一个可变的受热影响的热敏电阻转换成了一个可变的电压值，该电压值经电压缓冲器后，传入控制模块的模数转换输入端口，通过单片机技术与编程现有成熟技术，计算完成对热敏电阻的阻值测量。

当热敏电阻R8的阻值随温度变化时，由于其上的电流为恒定值，其两端的电压值也会跟着电阻值产生线性变化，该线性变化的电压加到LM358的第一同相输入端(第5脚)，从第一输出端(第7脚)输出电压，其输出的电压大小与输入的电压大小一样，电压放大倍数为1，这种电路的理想特点是输入阻抗无穷大，输出阻抗为0，所以传输的电压得到无衰减的、良好的匹配传输，该电压直接传到控制模块的模数转换输入端口，通过单片机技术与编程进行程序数据处理后，从而把该热敏电阻R8的电压值转换成电阻值显示在显示模块上。

同理，当热敏电阻R5的阻值随温度变化时，由于其上的电流为恒定值，其两端的电压值也会跟着电阻值产生线性变化，该线性变化的电压加到LM358的第二同相输入端(第3脚)，从第二输出端(第1脚)输出电压，其输出的电压大小与输入的电压大小一样，电压放大倍数为1，这种电路的理想特点是输入阻抗无穷大，输出阻抗为0，所以传输的电压得到无衰减的、良好的匹配传输，该电压直接传到控制模块的模数转换输入端口，通过单片机技术与编程进行程序数据处理后，从而把该热敏电阻R5的电压值转换成电阻值显示在显示模块上。

加热模块包括电子开关、固态继电器和加热器，所述电源模块包括24V开关电源；

所述开关电源的输入端与外界220V交流电源连接，开关电源的输出端与加热器的第一端连接，加热器的第二端与固态继电器的第一输出端连接，固态继电器的第二输出端与第一接地系统连接；

所述电子开关包括第二晶体管和基极电阻；第二晶体管的基极经基极电阻与控制模块连接，发射极与电源模块连接，集电极与固态继电器的第一输入端连接；固态继电器的第二输入端与第二接地系统连接。

在本实施例中，测量仪包括2个加热模块，分别为第一加热模块和第二加热模块；24V开关电源输出2路相同且相互独立的24V直流电压，分别为2个加热模块中的加热器提供工作电源。

固态继电器是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的、具有继电器特性的无触点开关器件。单相的固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR)为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光电隔离。在两个输入端之间加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态，从而可在输入端加入微小的控制信号达到直接驱动输出端大电流负载的作用。

在本实施例中，第一加热模块的晶体管为Q3，加热器为L1，基极电阻为R12；第二加热模块的晶体管为Q4，加热器为L2，基极电阻为R13。

当控制模块输出一个低电平给晶体管Q3的基极，这时晶体管Q3被驱动导通，其发射极上的3.3V电压通过晶体管Q3直接加到固态继电器J1的第一输入端上，此时固态继电器J1初级导通，由于固态继电器J1是一个光电耦合器件，输入端与输出端分别连接不同的接地系统，可以使强电与弱电得到分离，强电的干扰信号不影响控制模块的正常工作，同时也保证了人身的安全。当固态继电器J1初级导通后，次级也导通，这时开关电源24V直流电压加在加热器L1上，加热器L1按照预设的温度开始加热升温。当温度达到预设温度时，控制模块输出高电平给晶体管Q3，晶体管Q3截止，固态继电器的初级不能导通，其次级也不能导通，加热器L1不能形成电流回路，加热器L1停止加热。

同理，控制模块可通过输出高低电平控制加热器L2的加热开启和停止。

在本实施例中，测量仪包括2个温度采集模块，且均采用型号为DS18B20的温度传感器。每个温度传感器的电源输入端均与电源模块连接，接入4.5V直流电源；温度传感器的信号输入输出端与控制模块连接，电源地端与第二接地系统连接。

在本实施例中，由于热敏电阻采集模块、加热模块和温度采集模块，其数量均为2个。其中第一热敏电阻采集模块、第一加热模块和第一温度采集模块搭配形成第一热敏电阻分析支路，用于分析待测的热敏电阻R8的阻值特性；第二热敏电阻采集模块、第二加热模块和第二温度采集模块搭配形成第二热敏电阻分析支路，用于分析待测的热敏电阻R5的阻值特性。

控制模块包括型号为STM32F103C8T6的单片机，该型号的单片机是一款中等容量增强型，32位基于ARM核心的带64或128K字节闪存的微控制器模块。CN3插座1脚PB12口用于进入温度设置菜单；2脚PB13口用于上限温度设置；3脚PB14口用于下限温度设置；4脚PB15口用于上下限温度设置好以后，进行返回到正常工作和暂停状态；5脚PA8口用于上下限温度设置选择，设置好后延迟保存；6脚PA9口用于向上位机发送数据；7脚PA10口用于上位机向本机下传数据；11脚PB3口用于给12864液晶屏的CN1插座的第6脚，用于使能信号；16脚PB8口用于驱动晶体管Q4电子开关电路；17脚PB9口用于驱动晶体管Q3电子开关电路；19脚接地，20脚和21脚由LM317电源模块提供3.3V电压给STM32F103C8T6单片机；22脚PC13口用于给12864液晶屏CN1插座第4脚的命令/数据选择端；25脚到32脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7口用于把STM32F103C8T6单片机发出的数据传送给12864液晶显示屏；33脚PB0口用于采集双运放芯片LM358的第一输出端(LM358的7脚)送来的模拟电压；34脚PB1口用于采集双运放芯片LM358的第二输出端(LM358的1脚)送来的模拟电压；35脚B10口用于接收第一温度采集模块中的温度传感器DS18B20送来的温度信号；36脚B11口用于接收第二温度采集模块中的温度传感器DS18B20送来的温度信号；38脚由电源模块的第二个稳压集成芯片LM317提供的3.3V直流电压给STC32F103C8T6单片机；39脚和40脚接地。

显示模块，采用12864液晶显示屏。其中，12864液晶显示屏是一种高分子材料因为其特殊的的物理、化学、光学特性，广泛应用在轻薄显示器上，主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。该12864液晶显示屏共20个引脚，1脚电源地、2脚4.5V供电电压、3脚液晶对比度调节端、4脚数据命令选择端、5脚读写选择端、6脚为使能端，7脚到14脚8位数据传输端，15脚串/并选择端，16空脚、17脚复位端、18空脚、19脚背光电源正极、20脚背光电源负极。12864液晶显示屏的各管脚：1脚、5脚、20脚都接地，2脚、15脚、17脚、19脚接4.5V直流电压，当4脚RS信号为低电平时，7脚到14脚8位数据传输为命令，当4脚RS信号为高电平时，7脚到14脚8位数据传输为数据，当6脚输入一使能脉冲，就可使单片机的数据传送给12864液晶显示器，达到字符显示。

在本实施例中，无线通讯模块采用型号为CC2530的Zigbee无线通信芯片。

Zigbee无线通信芯片CC2530，是TI公司开发的的一款Zigbee无线通信芯片，在软件上包含了较为完整的ZigBee协议栈，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和用户产品进行通信，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来相对便捷，而且CC2530芯片结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存。

Zigbee无线通信芯片CC2530，与单片机stm32f103的串口相连接，形成Zigbee网络的一个节点。单片机STM32F103C8T6将需要上传的数据通过串口引脚发送给Zigbee无线通信芯片CC2530，然后Zigbee无线通信芯片CC2530将需要上传的数据无线发送给Zigbee网络中的另一个Zigbee节点，从而实现数据的无线传输。另外，另一端的Zigbee节点可通过USB转串口将数据发送至上位机电脑，从而实现上位机电脑通过串口调试软件的窗口显示收到的数据。

当需要对热敏电阻R8进行温度范围为[T1,T2]的电阻特性进行分析时：首先通过现有程序技术将温度范围的下限T1和上限T2设置于单片机内；然后通过按键启动测量仪开始工作：

首先单片机17脚PB9口输出一低电平，该低电平经过电阻R12到晶体管Q3的基极，产生基极偏流，基极偏流通过晶体管Q3放大，晶体管Q3很快进入饱和区，这时3.3V电压通过Q3加到固态继电器J1初级端，给固态继电器加上3.3V的电压，固态继电器初级导通，由于固态继电器是一个光耦器件，很快固态继电器的次级导通，这时24V直流电压加在加热器L1上，加热器L1开始升温，在加热器L1升温过程中，热敏电阻R8和温度传感器DS18B20被同时加温，这时晶体管Q1恒流源输出0.1mA电流给热敏电阻R8，由于热敏电阻R8温度增高，其上的电阻值就不断地减少，具有负温度系数的热敏电阻的性质，所以热敏电阻R8上的电压在不断地下降，这个不断下降的电压被传输到LM358运算放大器的第一同相输入端(第5脚)，经过缓冲从第一输出端(第7脚)输出到单片机STM32F103C8T6的PB0口，用于STM32F103C8T6单片机电压采样，然后进行ADC模数转换，通过单片机数据处理后，送往12864液晶显示屏上显示成电阻值，同时DS18B20温度传感器也通过电阻R10，在单总线上把温度数据传送给单片机STM32F103C8T6的PB10口，通过单片机数据处理后，送往12864液晶显示屏上显示成温度值，随着温度不断升高，热敏电阻R8不断减少，这时每一个上升的温度值对应一个下降的热敏电阻R8的阻值，当温度达到上限温度值T2时，单片机STM32F103C8T6按照程序从PB9输出一个高电平，该高电平关断晶体管Q3组成的电子开关，这时3.3V直流电压就加不到固态继电器J1的初级端，引起固态继电器J1的次级端被断开，从而24V直流电压加不到加热器L1上，加热器停止工作。

此时按压发送按钮，保存于单片机内的数据(通过温度传感器采集到的温度值和相同时间点通过温度采集电路采集到的热敏电阻阻值)，通过由Zigbee无线通信芯片形成的Zigbee网络上传至上位机电脑，上位机电脑可利用所有得到的温度值和相应的热敏电阻阻值，绘制热敏电阻的特性曲线，如图3所示，即热敏电阻的阻值随温度变化曲线，完成一次对热敏电阻R8的特性分析。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，包括：热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块、电源模块；

所述热敏电阻采集模块与待测的热敏电阻连接；

所述温度采集模块和热敏电阻采集模块均设置于加热模块周围，且离加热模块的距离相同；

所述热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、显示模块均与控制模块连接；

所述热敏电阻采集模块、温度采集模块、加热模块、控制模块、显示模块均与电源模块连接。

2.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，所述热敏电阻采集模块包括热敏电阻接口、恒流源驱动单元和电压缓冲器；所述恒流源驱动单元的输入端与电源模块连接，用于接入4.5V直流电源；所述热敏电阻接口的第一管脚与第二接地系统连接，第二管脚与恒流源驱动单元的输出端连接，第二管脚还与电压缓冲器的输入端连接；所述电压缓冲器的输出端与控制模块连接；

所述恒流源驱动单元包括第一晶体管、发射极电阻、下偏流电阻和上偏流电阻，所述上偏流电阻为可调节阻值的电位器；第一晶体管的发射极经发射极电阻与恒流源驱动单元的输入端连接，集电极与恒流源驱动单元的输出端连接，基极同时与下偏流电阻和上偏流电阻连接；上偏流电阻的另一端与恒流源驱动单元的输入端连接，下偏流电阻的另一端与第二接地系统连接；

所述电压缓冲器包括运算放大器；运算放大器的同相输入端与热敏电阻接口的第二管脚连接，反相输入端与输出端连接，输出端还与控制模块连接。

3.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，所述加热模块包括电子开关、固态继电器和加热器，所述电源模块包括24V开关电源；

所述开关电源的输入端与外界220V交流电源连接，开关电源的接地端与第一接地系统连接，开关电源的输出端与加热器的第一端连接，加热器的第二端与固态继电器的第一输出端连接，固态继电器的第二输出端与第一接地系统连接；

所述电子开关包括第二晶体管和基级电阻；第二晶体管的基极经基极电阻与控制模块连接，发射极与电源模块连接，集电极与固态继电器的第一输入端连接；固态继电器的第二输入端与第二接地系统连接。

4.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，还包括与控制模块连接的无线通讯模块。

5.根据权利要求4所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，所述无线通讯模块采用Zigbee无线通信芯片。

6.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，所述温度采集模块包括型号为DS18B20的温度传感器；所述温度传感器的电源输入端与电源模块连接，信号输入输出端与控制模块连接，电源地端与第二接地系统连接。

7.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，所述控制模块包括型号为STM32F103C8T6的单片机。

8.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，所述显示模块采用12864液晶显示屏。

9.根据权利要求1所述的小型智能温度热敏电阻特性测量仪，其特征在于，还包括程序下载接口，所述程序下载接口与所述控制模块连接。

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