摘 要：溫度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，涉及到各行各業(yè)的各個(gè)方面，在各種不同的領(lǐng)域中都占有重要的位置。從降低開(kāi)發(fā)成本、擴(kuò)大適用范圍、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，設(shè)計(jì)一種以PT100鉑熱電阻為溫度信號(hào)采集元件、EW78E58單片機(jī)為控制核心、OCMJ4×8C液晶顯示器為顯示器件的溫度測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)不但可以測(cè)量室內(nèi)的溫度，還以測(cè)量液體、種子等內(nèi)的溫度，在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用。

關(guān)鍵詞：PT100；信號(hào)采集；EW78E58；測(cè)量系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP₂74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)2017203

Design of PT100 Temperature Measurement System

CAI Zhi1，F(xiàn)AN Changsheng2，YANG Dongxia3

(1.Shandong Liaocheng Vocational and Technical College，Liaocheng，252000，China;

2.Northeast Forestry University，Harbin，150040，China;3.Harbin Institute，Harbin，150086，China)

Abstract： The measurement systems are applied wildly，involving various occupations and aspects.It holds the important position in the different fields.According to the principle of system running stability，security，stabilization and credibility，a kind of temperature measurement system in which using the PT100 as the temperature signal gathering part，EW78E58 as the control center，and the OCMJ4×8C (Liquid Crystal Display) as the display component are designed.Not only this measurement system may measure indoor′s temperature，but also may measure the temperature of liquid and seed.It runs stably，credibly in the practical application and the design of circuit is simple and applied.

Keywords：TP₁00;signal gathering;EW78E58;measurement system

無(wú)論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、國(guó)防和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，溫度測(cè)量和控制都是極為重要的課題^［1］。溫度測(cè)量系統(tǒng)在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同，溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的^［2］。本系統(tǒng)選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號(hào)采集元件，來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基本工作原理

PT100鉑熱電阻的阻值隨著溫度的變化而變化，利用這一特點(diǎn)來(lái)采集溫度信號(hào)，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由單片機(jī)系統(tǒng)讀取；單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件組成主要包括恒流源電路、電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換接口電路、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個(gè)組成部分。

2.1 恒流源電路

恒流源電路如圖1所示。其中芯片OP07為運(yùn)算放大器，它和5個(gè)電阻組成恒流源電路，在VIN+處輸出1 mA的工作電流。圖中DGND=5 V，VMC=0 V，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別是NET1，NET2，NET3，NET4。設(shè)流過(guò)R110的電流為Ia，流過(guò)R114的電流為Ib，單位為 mA，方向都向右。

則根據(jù)運(yùn)放的虛斷和虛短，則有方程：

DGND-(R111+R110)×Ia+R114×Ib-R113×

((DGND-R111×Ia)/R112)-(VDGND-R111×Ia)=0

代入數(shù)據(jù)，有:

5-(10+1)×Ia+1×Ib-2×((5-10×Ia)/10)-

(5-10×Ia)=0

可算得Ia+Ib=1，而Ia+Ib即為所求電流I，為1 mA。

根據(jù)方程，可知要得到Ia+Ib為常數(shù)，必須滿足:

R113×R111/R112-R110=R114

所以，這個(gè)電路成為恒流源的條件是:

R111/R112=（R110+R114）/R113

如果R111=R112則必須 R110+R114=R113，此時(shí)，恒流值為I=DGND×R113/R112/R114。

其中J110用于連接PT100鉑熱電阻。

圖1 恒流源電路圖

2.2 電壓放大及A/D轉(zhuǎn)換接口電路

PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小，如果直接與A/D轉(zhuǎn)換器相連接，則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)偏差較大；所以本設(shè)計(jì)中將PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓放大10倍后與電壓跟隨器相連接，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣就能得到較好的轉(zhuǎn)換效果，如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準(zhǔn)芯片MC1403組成放大電路，VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值；WIN-為基準(zhǔn)電壓源MC1403輸出的電壓值；VOUT為放大后的輸出電壓值。計(jì)算公式為:VOUT=G×（（VIN+）-（VIN-）），其中G的大小由電阻R120來(lái)決定，G=1+50 kΩ/R120^［3］。芯片OPA277與外圍電阻組成電壓跟隨器。

圖2 電壓放大電路圖

選用雙積分型3(1/2)位的MC14433 芯片A/D 轉(zhuǎn)換器(相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù))，MC14433采用動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼輪流地在Q0～Q4端輸出，同時(shí)在DS1～DS4端出現(xiàn)同步字位選通信號(hào)^{［4，5］}。如圖3所示。

MC1403集成精密+2.5 V電壓源經(jīng)電位器分壓后作為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。MC14433的DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器。EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號(hào)。單片機(jī)在讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，可以采用中斷方式或查詢方式。為使單片機(jī)能忙于其他任務(wù)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用中斷方式。DU端與EOC相連后經(jīng)光耦連至單片機(jī)的INT1端。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換接口電路圖

在MC14433上電后，即對(duì)外部模擬輸入電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于EOC與DU端相連，每次轉(zhuǎn)換完畢都有相應(yīng)的BCD碼及相應(yīng)的選通信號(hào)出現(xiàn)在Q0～Q4和DS1～DS4上。當(dāng)單片機(jī)開(kāi)放中斷，允許INT1中斷申請(qǐng)，并置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，在執(zhí)行中斷程序后，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，都將把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入片內(nèi)RAM中。

電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)MC14433A/D轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)光耦隔離電路傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后由液晶顯示器輸出溫度值。

2.3 光耦隔離電路

為使輸入信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，在I/O口擴(kuò)展芯片8255與A/D轉(zhuǎn)換部分采用光耦進(jìn)行隔離。A/D轉(zhuǎn)換作為模擬量輸入部分，采用獨(dú)立模擬電源和模擬地。單片機(jī)及I/O口擴(kuò)展芯片8255作為數(shù)字部分采用獨(dú)立數(shù)字電源和數(shù)字地，減少外部輸入對(duì)單片機(jī)的影響。Q0～Q4和DS1～DS4用2片TLP521-4進(jìn)行隔離后連接至擴(kuò)展芯片8255C口上，電路如圖4所示。

2.4 單片機(jī)控制與液晶顯示接口電路

本設(shè)計(jì)選用的是128×64點(diǎn)陣的OCMJ4×8C中文液晶圖形顯示模塊。C系列中文模塊可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫(huà)面混合顯示功能，與傳統(tǒng)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，單片機(jī)硬件接口電路以及軟件編程比較簡(jiǎn)單，內(nèi)置2 Mb中文字型ROM (CGROM) 總共提供8 192 個(gè)中文字型，可節(jié)省大量單片機(jī)設(shè)計(jì)的ROM空間，可更多地顯示漢字字符的數(shù)量，更加發(fā)揮了液晶顯示技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用^［6］。OCMJ4×8C模塊非常適用于顯示漢字信息量較大的智能儀器儀表系統(tǒng)及家用電器。可采用８位并列接口傳輸訊號(hào)及串行接口與串行傳輸資料2種資料傳輸方式^［7］。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是并列傳輸方式。單片機(jī)控制與液晶顯示接口電路如圖5所示（J91和J11用于連接液晶顯示器）。

圖4 光耦隔離電路

圖5 單片機(jī)與液晶顯示接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)及程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序、INT0外部中斷子程序、液晶顯示子程序。主程序完成對(duì)中斷的

初始化、等待外部中斷的查詢結(jié)果、調(diào)用顯示子程序。INT0外部子程序完成對(duì)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取。顯示子程序完成液晶顯示器的初始化及顯示溫度值^［8］。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

在單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的BCD碼時(shí)，為了避免讀取不正確數(shù)值，在軟件編程時(shí)采用對(duì)數(shù)據(jù)多次采樣的方法，即在一定的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)讀取BCD碼，全部為一樣的數(shù)值時(shí)才作為正確的數(shù)值接收，否則視為不正確數(shù)值而被忽略，這樣可以有效地保障在顯示器上輸出的溫度值連續(xù)變化，而不發(fā)生干擾性的跳動(dòng)。由于PT100鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的，所以在軟件編程時(shí)進(jìn)行了線性擬合，阻值（R）與溫度（T）的關(guān)系式為T=2.469R+27.2，其中電阻R的單位是Ω；T的單位是K^{［9，10］}。

4 結(jié) 語(yǔ)

在溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PT100鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測(cè)量系統(tǒng)不但可以檢測(cè)室內(nèi)的氣體溫度，還可以檢測(cè)土壤、液體、種子等內(nèi)的溫度，大大提高了溫度測(cè)量系統(tǒng)的適用范圍，且采用PT100鉑熱電阻為溫度采集元件，可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。而且在設(shè)計(jì)中所采用的MC14433A/D轉(zhuǎn)換器，雖然轉(zhuǎn)換速度慢，但具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高，在不要求高速轉(zhuǎn)換的溫度控制系統(tǒng)中，則被廣泛采用。A/D轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)控制系統(tǒng)完全采用光耦進(jìn)行隔離，在降低干擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響方面起到重要的作用。另外在設(shè)計(jì)中所采用的OCMJ4×8C液晶顯示器，其與單片機(jī)硬件連接相當(dāng)簡(jiǎn)單，無(wú)需其他外圍器件，即節(jié)省了元件又使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。本溫度測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便、實(shí)用性好、電路工作穩(wěn)定、可靠性高。

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作者簡(jiǎn)介 才 智 女，1975年出生，助教。主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文