AI设计后记_ai设计后记

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AI设计要求：

确保一定精度下，准确测量出电流，电压，电阻变化的值，具体要求如下：

1、电压范围：0v——10v

2、电流：0——20mA

3、电阻：①Pt 1k，②NTC10k，③NTC100k1、范围在0——10V的电压测量电路设计思路

在确定运用AVR单片机检测外部模拟输入量后，很快想到要查阅Atmega32手册，了解它自带的ADC。通过查阅手册知道了ATmega32有一个10位的逐次逼近型ADC。能够采样8 路的0-Vcc的单端输入电压，精度为10 位。差不多能够满足我们的设计要求，所以就不用外加AD芯片了。那么是不是把我们要测的电压直接接到AD口就行了吗？那下面我们就来分析一下如果直接接入AD口存在哪些问题。第一步：

首先我们的电压测量范围是0~10V，而单片机AD口的测量电压范围是0~5V，所以我们得先要把0~10V转化为0~5V范围之内才行。这个简单，只要通过两个相同的电阻分压即可得到至于电阻的阻值到底取多大呢，是1Ω，10Ω，还是100Ω呢，根据经验，一般会取1K到100K之间的电阻，因为小会引起功耗大问题，但是阻值大了也不好。所以最好选择kΩ级的。考虑到有些传感器出来会要求带比较大的负载，所以可以选为100K的电阻。

第二步：

解决了电压输入范围问题，那是不是就可以了呢。经过前几次16DI和8DI4DO 电路的设计，知道了在单片机输入输出之前最好要隔离，这样让单片机内部受外部的影响比较小些，在查阅相关资料之后，发现运放电路除放大作用外一个非常突出的特点就是具有输入阻抗高、输出阻抗低，简单的可以这样理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就 相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，所以运用在此处当然是非常合适。但是在这我们只想利用他的隔离作用而不是放大作用，所以我们只要选电压跟随器就可以了。第三步：

似乎看起来电路已经基本可以了，但是为了准确测得外部有用信号，减少实际应用当中外界的干扰，我们还得考虑滤波，把外部无用的高频信号滤除。既然是滤除高频信号，当然想到低通滤波。低通滤波电路也有很多种，在这选用一阶RC滤波电路，因为运放对于前级来相当于开路，那么就不用考虑级间相互影响，所以不用采样有源滤波电路了。

根据一阶RC滤波电路特性，截止频率f0=1/2πRC，大致取截止频率为1HZ，这样即使以后想把减小几倍截止频率只要增大相应电容的倍数即可。计算得c大致取3.18uF。第四步：

最后设计完成之后再想想可能出现的问题，比如说万一外面输入的测量电压超过10V，而单片机的最高允许输入电压是5.5v，那不是单片机会损坏吗？所以我们要加个保护电路。通过之前设计的16DI和8DI4DO电路设计很快可以想到可以利用2个二极管串联在运放输出端，且二极管的导通电压不能大于0.5v，0

图1 电压测量电路

范围在0——20mA的电流测量电路设计思路

经过了上面电压测量电路分析之后，测电流电路就比较简单了。只要把电流量转化为电压量就可以了，其他后面的电路都是一样的。为了使得0——20mA的电流转化之后在0—5v之间，我们可以并联一个R2为243Ω的电阻，这样使得20mA的输入电流输出的电压为243*0.02v=4.86V，保证在输出电压范围尽量大的情况下在0—5V之间。使得测得的值更准确。然后再根据截止频率计算出电容c大致取1.59uF，R1起限流作用保护运放。

图2 电流测量电路

2、Pt1000电阻型测量电路设计思路

Pt1000实际就是个热敏电阻，他的阻值随温度的变化而变化，我们知道外部环境的温度只要测量电阻的阻值就可以了。那么就明确了我们的最终目的是要测量环境温度值。那我们设计的电路是要检测多大范围的温度呢。是不是范围越大越好？这就涉及到测量精度问题。知道了ATmega32的AD精度为10位，那意思就是说可以用10个二进制来表示输入的模拟量，比如我们可以测量的温度范围是0~500℃，那么能够检测到的最小温度变化是Tmin=500/210为0.488℃，为了提高精度当然这个Tmin是越小越好。这又与之前想检测的温度范围越大越好相矛盾。我们权衡了一下规定温度检测范围为-10℃—120℃。也就是Tmin=130/210为0.12695 ℃，因为AVR单片机AD有± 2 LSB 的绝对精度，所以存在2*0.12695=0.2539 ℃的误差，这个误差可以被接受。第一步：

确定量程后，可以开始设计了。设计的时候可以把量程稍微扩大一些，以确保-10℃~120℃的所以值可以准确测得。我把-10℃~120℃扩展成-15℃~125℃，查看Pt100 分度表 知道在-15℃对应的阻值是94.12Ω，那么Pt1000对应的就是940.12Ω，相同方法得到125℃时得到的阻值是1470.95Ω。现在的问题就是怎么把940.12Ω~1470.95Ω转化为电压是0~5v范围之内，而且为保证准确度尽量要求转化后的电压范围要接近5v，且电压值不能为小于0大于5v。如图3所示。

图3 利用ab2ab知R1取1.3k时U1输出变化范围达到最大值，U1为2.098~2.66v范围变化。第二步：

U1的范围即使是已经最大了，但还没有满足我们之前期望的0~5v，所以我们还得做一个工作，就是想办法把2.098~2.66v转化为0~5v，利用线性关系，我们可以找到一个线性方程即V0=8.9Vi-18.67，把Vi等于2.098v和2.66v代入上式得V0为0.0022v和5.004v，这样V0的范围已经转化为0.0022~5.004v。接下来就是设计一个电路使得输入输出满足关系式V0=8.9Vi-18.67。根据前面电压电流测量的经验，知道了可以运用运放来进行隔离。这里我们就可以把运放的放大作用和隔离作用一起用上。但是运放的电路有不计其数，那怎么找一个可以实现上述表达式呢。经过研究这个表达式推测可以选用运放的减法电路。且输入端电路已给出即图4。运放减法

电路如图2所示。

图4 利用虚短虚断原理我们可以算得减法电路的输入输出关系式为

Vout=

(R3R4)*R2(R1R3)*R4*V2R3R4*V1

从表达式可以看出我们的推测没有错误，式中我们把V1改为一个定值就是跟我们要实现的V0=8.9Vi-18.67比较接近了。初定电路为图5所示

图5(注：V2相当于图1的U1)现在关键就是得确定电路中各电阻阻值和电容值。R2可以保护运放输入过压损坏运放，可以取得稍大点。根据以上电路可以写出表达式

5V1R3V1R4V1VR5

V2=V-

V1VR5VVoutRf

化简得到

VoutR4R5R3R5R3R4R4RfR3RfR4R5R3R5R3R4V25RfR4R4R5R3R5R3R4

V2为输入端，根据之前我们的式子V0=8.9Vi-18.67可以设R4R5R3R5R3R4R4RfR4R5R3R5R3R45RfR4R4R5R3R5R3R48.9

18.67

解得R3R420.8318.67查阅5%和1%电阻标称值列表决定取R3=2.1k，R4=1.87k，令R5=71.5k解得Rf=562k，为了器件统一，取R2=72.5k。再根据以上测电压电流时确定RC滤波电路中c的值为2.2uf。现在电路的参数已经全部定下来了，我们选用protues仿真软件仿真一下结果如图6所示。

图6 Pt1000电阻型测量电路

从图4可以看出当R2取最大值1470.95Ω（即温度在最大值125℃）时V0输出为4.98v，刚好接近5v。再改变R2的值为940.12Ω（即温度在最小值-15℃）时输出电压V0=0.112v，现在我们已经把原来的电压变化范围从2.098v~2.66v转变为0.112v~4.98v，变化范围接近于5v了所以电路基本上就完成了设计。同时为了防止人为疏忽而把外部电阻型输入接成了电压电流等，使得输出电压超过5.5v而损坏单片机，在图6的基础上最好也加上如图1图2的二极管保护电路，使得输出电压在0~5+Vth。Vth要选择小于0.5v的二极管。

3、NTC100k测量电路设计思路

既然我们上面的Pt1000测量范围定了是-10~120℃，那NTC100k的测量范围也定为-10~120℃。与Pt1000设计电路的思路相似，先查阅NTC100k对应温度阻值关系知电阻的变化范围是从3.078k~714.3k（-15~125℃对应阻值）再根据阻值变化范围与图3的电路，计算出使得U1变化范围最大的R1为46.89k，查阅精度为1%的电阻决定取R1为46.4k。当R1取46.4k时U1输出的变化范围是0.311~4.6957V，我们发现这个变化范围已经接近于5v了，那到底还要不要再放大呢。先计算一下精度再决定到底要不要扩U1的范围。如果直接用这个范围则△U1=4.695-0.311=4.384v，再根据

4.384N51024解得N=897.84，130℃/897.84=0.14479即最小可以检测到的温度变化范围为0.12279℃，误差=0.12279*2为0.2895℃，△误差=0.2895-0.2539=0.0356，也就是说比原来增加了0.0356℃的误差，这个误差非常小可以接受，所以我们就不用再扩大这个范围了，直接接个电压啊跟随器就ok了。同时降低了电路设计的成本。设计电路如图5所示，R2作为限流电阻起保护电路作用，防止外部接错而损坏运放。同时最好也在运放的输出断加上二极管保护电路，这样就可以很好的防止各种由于使用不当而造成电路的失效。

图7 NTC100k测量电路

4、NTC10k测量电路设计思路

与NTC100k设计思路相同。R1取4.64k。

图8 NTC10k测量电路

注：由于热敏电阻是一个电阻，电流流过它时会产生一定的热量，因此电路设计人员应确保拉升电阻足够大，以防止热敏电阻自热过度，否则系统测量的是热敏电阻发出的热，而不是周围环境的温度。热敏电阻发热主要是受功率的影响，功率越大发热越厉害。最好要保证热敏电阻两端的功率在0.2mW以下，当然是越小越好，这样它受自身发热的影响比较小确保温度值测量准确，经过计算我们设计的电路功率都比较低，影响应该不大。在以后的设计中，都得注意一下这个问题。