摘 要： 以半导体器件的物理特性和电学特性为依据，设计了一种低温自启动恒温加热器，保证系统内部温度处于芯片正常工作范围内，并以尽可能少的元件构成完整的闭环控制系统。利用PT100型金属铂电阻温度特性，使用三线制接法，采用STC12C5A16S2型单片机芯片对温度信号进行采集。使用工业上常用的RS485总线作为温度传输的通讯方式，以提高信息传输的可靠性。通过在高低温环境下实验，验证了该温度采集系统的可行性。
关键词： 半导体热敏电阻器； 温度控制； 单片机
温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数[1]， 因此在航空航天、船舶、机械制造等领域中，都需要对环境温度进行检测。目前最常使用的测量温度的设备是温度传感器，但由于集成芯片工作环境的限制，使得温度传感器采集与传输必须在一定的环境条件下才能使用。本文通过对NTC型热敏电阻的温度变化特性和晶体管物理特性的分析，采用热敏电阻与三极管控制电阻丝加热的通断，从而保持传感器内部温度处于芯片正常工作范围内，使其能够满足低温工作环境的要求。利用PT100型金属铂电阻的温度特性，使用单片机对温度进行采样，实现了对温度的测量；并采用RS485总线进行通讯，以提高信息传输的可靠性。
1 温采集功能组成
系统设计主要包括两部分：温控部分和温度采集及数据变送部分,其示意图如图1所示。
温度采集系统采用恒温基板加热的方式对关键电路部分进行局部恒温加热。温控电路的主要功能是通过热敏电阻对温度的阻值特性来控制电阻丝加热通断，最终达到控制温度采集盒内部温度的目的。温度采集部分的主要功能是通过STC12C5A16S型单片机芯片完成温度信息的采集，并通过RS485总线将采集到的电阻值传送到远处终端。
2 温控部分的原理分析
温控的设计思路是利用热敏电阻和三极管的导通特性,控制电阻丝的加热状态,从而达到控制温度采集系统内部温度的目的。
热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，包括正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)和临界温度热敏电阻(CTR)，当温度变化时,其阻值也发生变化。NTC(Negative Temperature Coefflcient)是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻,在电子线路、自动控制以及传感技术中都有广泛的应用[2]。NTC电阻RT与温度之间为指数曲线关系，其经验公式为：
由于未知系数A、B与晶体管加工工艺有关，难以直接计算,可采取实验的手段测量若干组数据，联立方程组求解，进而推导参数A和B的值。将设计中所用型号的三极管置于恒温箱内冷冻，测量其hFE值。实测室温(300 K)下，hFE=146;-60℃（213 K）时,hFE=64，建立超越方程组：
3 温度采集部分的设计
3.1温度信息调理的设计
电阻式温度传感器RTD(Resistance Temperature Detector)本质是一种阻值会随温度的改变而改变的电阻。PT100温度传感器具有测量范围广(为-200℃～+650℃)、偏差小、响应时间短、抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，因此得到了广泛的应用[3]。利用PT100型金属铂电阻作为温度采集电路中的温度敏感型器件，采用典型桥式铂电阻的三线制测温电路，可将PT100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除[4-5]。AD780AR型芯片是一种能够提供高精度电压输出的芯片，当输入电压在4 V~36 V之间时，能够提供2.5 V精准电压输出。采用该芯片输出的精准电压作为电桥臂的输入,用于提供精确的参考电压。LM124型运算放大器的作用是信号放大和隔离，采用该型运算放大器用于对桥臂输出的电压进行放大输出，以便后端采集和变送。
3.2 温度采集和传送电路的设计
温度信息号经温度信息调理电路的放大、隔离输出以后，由后端电路对该信号进行采集和变送。
STC12C5A16S2是一款新型的单片机，由中央处理器（CPU）、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看门狗及片内振荡等模块组成。利用单片机的AD采样接口完成对温度信号的采样；并通过SN75LBC175A和SN75LBC174A型芯片进行TTL电平到RS485总线的电平转换，完成温度信号数据传送至远程控制中心的任务。温度调理、采集及变送示意图和部分电路图如图3和图4所示。
4 试验数据及结果分析
采用RS485/RS232转换器、利用热敏电阻的导通特性并且结合热电阻的功耗，在环境试验箱高、低温度下测得的数据如表2和表3所示。
由高、低温试验数据可知，该温度采集系统能够实现在高、低温环境下温度测量的功能，其测量结果满足实际需求。
本文以半导体器件的物理特性和电学特性为依据，设计了一种低温自启动恒温加热器，保证系统内部温度处于芯片正常工作范围内。利用PT100型金属铂电阻温度特性，利用三线制接法和STC12C5A16S2型单片机对温度进行测量，并采用工业常用的RS485总线作为温度信息传输的通讯方式，提高了信息传输的可靠性。最后，通过高、低温环境下的实验，验证了系统设计的可行性，对相关研究具有参考价值。
参考文献
[1] 陈 辉，陶中幸，杨小川.半导体热敏电阻在温度控制中的应用[J].甘肃联合大学学报(自然科学版)，2011，25(1)：48-51.
[2] 郑云光，郭维廉，李树荣.低温硅双极晶体管的研制和特性分析[J].半导体学报，1994，15(11)：782-789.
[3] 胡鸿志.基于新型温度传感器的数字温度计设计[J]. 电子测量与仪器学报,2011,25(8)：741-744.
[4] 黄慧，殷兴辉.基于DS18B20的高分辨率温度数据采集[J].电子测量技术，2009，32(6)：131-133．
[5] 刘宁，张朝宣，黄昌清，等.船用发电机电力参数监测仪的设计[J].数字技术与应用，2011(4):153-154.