韓廣輝，尚曉東

（中國科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301）

溫度是流體力學(xué)中的重要變量，不僅影響流體介質(zhì)的物理性質(zhì)，更驅(qū)動著對流、混合等物理過程，因此需要快速、準(zhǔn)確、無擾或微擾地測量流體中的溫度，特別是為了了解全場流體的溫度分布，就需要對多個測點(diǎn)同時測量。目前采用的多點(diǎn)溫度測量方法可分為接觸式和非接觸式。接觸式方法將溫度傳感器的電阻等電學(xué)信號通過AD電路采集后轉(zhuǎn)換為溫度信號，測量精度高，常作為其他測量方法標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值。因每個溫度傳感器都要占用一路AD采集通道，當(dāng)測點(diǎn)增多時，采集系統(tǒng)的成本大幅增加，可維護(hù)性變差。用集成溫度傳感器如DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)測溫的方法已見報導(dǎo)[1]，采用單總線通信使采集電路大為簡化，然而采集電路受測點(diǎn)溫度影響，測量精度有限，集成溫度傳感器的封裝尺寸較大，熱響應(yīng)時間長，不適于快速測量，且對流場的干擾較大。非接觸式溫度測量如紅外熱成像方法[2]和示溫染料方法[3]能夠高密度的測量或顯示溫度場分布，此類方法受于背景場和染料性質(zhì)的影響，測溫的相對精度較高，絕對精度不能滿足流體定量研究的需要。

為了克服現(xiàn)有測溫方法不能完全滿足流體多點(diǎn)測溫需要的缺點(diǎn)，提出了一種用MOS管控制快速響應(yīng)熱敏電阻陣列與TLC555構(gòu)成溫度-頻率 （T-F）變換電路，結(jié)合單片機(jī)PIC18F6722和8253計數(shù)芯片精確測量頻率并反演為測點(diǎn)溫度，完成了測溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，能夠滿足流體多點(diǎn)精確測溫的需要。

1 總體設(shè)計

PIC18F6722[4]是Microchip公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型單片機(jī)，集成了豐富的硬件資源，包括兩個增強(qiáng)USART，一個SPI總線端口，54個I/O引腳，4個外部中斷，3 936字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的FLASH程序存儲空間和1 024字節(jié)的EEPROM，可以方便的與外設(shè)連接和通信。

8253[5]是Intel公司的微型機(jī)外圍芯片，內(nèi)含三個獨(dú)立的16位可預(yù)置減法計數(shù)器和一個并行數(shù)據(jù)端口，可分別設(shè)置三個計數(shù)器的工作方式和讀寫計數(shù)值。SST25VF016[6]是Silicon公司生產(chǎn)的16 Mbit SPI接口的串行FLASH存儲器，可以在失電的情況下長期保存測量數(shù)據(jù)。TLC555[7]是德州儀器生產(chǎn)的功能完全兼容NE555的定時器芯片，具有更快的響應(yīng)速度，最高工作頻率可達(dá)2 MHz。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，P溝道MOS管開關(guān)陣列在PIC18F6722的控制下將熱敏電阻陣列中的單個電阻分別與TLC555構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，測點(diǎn)溫度變化引起熱敏電阻的阻值變化，使得TLC555輸出頻率改變，實(shí)現(xiàn)T－F變化；2 MHz標(biāo)準(zhǔn)時鐘為8253計數(shù)器提供時間基準(zhǔn)，用8253精確測量TLC555的輸出頻率；PIC18F6722設(shè)置8253三個計數(shù)通道的工作方式和計數(shù)初值，在結(jié)束時讀取8253計數(shù)值，將計數(shù)值轉(zhuǎn)化為測點(diǎn)的溫度，將溫度數(shù)據(jù)存儲在SST25VF106中或通過通信電路實(shí)時傳送到PC機(jī)處理和顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the multi-point temperature measurement system

2 硬件設(shè)計

多個熱敏電阻構(gòu)成m行n列的熱敏電阻陣列，需要m+n個MOS管，每個MOS管的柵極分別由PIC18F6722的一個I/O口的控制。以5行3列的熱敏電阻陣列為例，電路連接方式如圖2所示。VT1～VT8是8個P溝道MOS管，柵極分別由 PIC18F6722 的 RE0～RE7 引腳控制，R（1，1）～R（3，5）是 15個熱敏電阻，分布在流體中待測溫度場的不同測點(diǎn)，TLC555振蕩電路采用了文獻(xiàn) [7]中推薦的連接方式，輸出信號為TLC555CK。

圖2 T-F變換電路Fig.2 T-F transform circuit

通過程序設(shè)置RE端口為推挽式輸出模式，如令RE=0xdd，R（2，3）通過 VT2 和 VT6 與 RA并聯(lián)，則 CT充電的時間常數(shù)放電的時間常數(shù)為 τL=CTRB，可計算得到TLC555的輸出頻率TLC555CK，其他測點(diǎn)可依此類推。 溫度變化引起 R（2，3）變化，使 τH改變進(jìn)而引起輸出頻率TLC555CK改變，實(shí)現(xiàn)T－F變換。因?yàn)槭褂铆h(huán)境不同和器件老化等問題，測量系統(tǒng)存在不可避免的系統(tǒng)漂移，注意到τL與溫度變化無關(guān)，可以用CT放電周期對系統(tǒng)漂移進(jìn)行校正。使用8253計數(shù)器精確測量TLC555CK，2 MHz標(biāo)準(zhǔn)時鐘提供時間基準(zhǔn)，電路連接如圖3所示，其中U1為2 MHz有源晶振，U2為三輸入與門，U3是二輸入與門，U4是反相器。將RB0設(shè)置為下降沿觸發(fā)的外部中斷方式，在中斷函數(shù)中改變MOS管陣列的通斷組合，切換到下一個測點(diǎn)熱敏電阻進(jìn)行測量。

圖3 8253計數(shù)電路Fig.3 8253 counter circuit

8253計數(shù)器每個計數(shù)通道都有6種工作方式[8]，可通過向控制寄存器寫入控制字設(shè)置。計數(shù)通道0工作于方式2－頻率發(fā)生器方式，在該方式下裝入計數(shù)初值且GATE為高電平后即開始在輸入脈沖的下降沿進(jìn)行減1計數(shù)，OUT保持高電平，計數(shù)值減為1時，OUT輸出低電平并保持一個CLK周期，在下一個脈沖下降沿OUT輸出高電平，重裝初值計數(shù)。計數(shù)通道1和計數(shù)通道2工作于方式1-可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在該方式下裝入計數(shù)初值不計數(shù)，當(dāng)GATE由低變高并保持高時進(jìn)行減1計數(shù)，GATE為低時不計數(shù)，任意時刻GATE由低變高則裝載計數(shù)初值重新開始計數(shù)。

3 個計數(shù)通道工作的時序圖如圖 4 所示，N0、N1、N2、分別為3個計數(shù)通道的初值。減小N0可以提高測量速度，增大N0可以獲得較高的測量精度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定N0的值。一般設(shè)置N1、N2為最大值0xFFFF，并保證在測量過程中不溢出（單點(diǎn)測量時間小于 32 ms）。在 OUT0的下降沿觸發(fā)PIC18F6722的RB0引腳外部中斷，改變MOS管通斷組合狀態(tài)切換到下一個測點(diǎn)計數(shù)。

圖4 8253計數(shù)器時序圖Fig.4 Timing diagram of 8253 counter

系統(tǒng)標(biāo)定時計數(shù)通道0的初值為N0*計數(shù)通道1的計數(shù)值為 ΔN1*，ΔN1*/（N0*-1）應(yīng)為恒定值，當(dāng)系統(tǒng)存在漂移時，該值會改變。通過以下方法校正系統(tǒng)漂移：在測量中計數(shù)通道0的初值為N0，計數(shù)通道1的計數(shù)值為ΔN1，漂移系數(shù)η定義為

計數(shù)通道2的計數(shù)值ΔN2與η的乘積得到校正后的計數(shù)值ΔN2*，用ΔN2*計算測點(diǎn)溫度即可校正系統(tǒng)漂移。

通信和存儲電路如圖5所示。通信電路使用Maxim公司的MAX485芯片將PIC18F6722的串口1轉(zhuǎn)換為半雙工RS485總線，用RC0引腳控制MAX485的收發(fā)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多個測量單元遠(yuǎn)距離可靠通信。存儲電路使用PIC18F6722的SPI端口，因SST25VF106是3.3 V工作電壓，將PIC18F6722的SDO和SCK用電阻分壓后連接，SDI引腳是輸入腳，可直接與SST25VF106的SO引腳連接。

圖5 通信和存儲電路Fig.5 Communication and storage circuit

使用MOS管開關(guān)陣列控制熱敏電阻陣列，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的快速精確測溫，當(dāng)測點(diǎn)增多時，測量系統(tǒng)的復(fù)雜度無顯著增加。采用8253硬件計數(shù)電路，PIC18F6722只需對8253的寄存器值進(jìn)行配置和讀寫，即可在測量精度和測量速度間根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇，降低了軟件開發(fā)難度，系統(tǒng)的維護(hù)升級十分方便。

3 軟件設(shè)計

PIC18F6722是多點(diǎn)流體溫度測量系統(tǒng)的主控制器，需要完成各硬件的初始化、硬件連接的檢測、各測點(diǎn)溫度的測量、測量數(shù)據(jù)的傳輸與存儲等功能。軟件采用模塊化的設(shè)計方法，用C語言編寫，使用MPLAB IDE編譯器編譯，包括主程序、硬件初始化程序、硬件檢測程序、測溫中斷服務(wù)程序、通信和存儲程序等。軟件的流程圖如圖6所示。

主程序主要完成初始化各系統(tǒng)變量，與上位機(jī)通信決定系統(tǒng)硬件的工作方式，處理其他系統(tǒng)事務(wù)和各種異常。硬件初始化程序主要完成設(shè)置PIC18F6722各I/O口的工作方式，設(shè)置8253各寄存器的值。硬件檢測程序主要測試通信電路的收發(fā)功能是否正常，存儲電路的讀寫功能是否正常，振蕩電路是否能正常工作以及熱敏電阻陣列與MOS管開關(guān)陣列與振蕩電路的連接是否正常。

圖6 系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of the multi-point temperature measurement system

在8253的OUT0引腳下降沿觸發(fā)PIC18F6722的RB0引腳上的外部中斷時，執(zhí)行測溫中斷服務(wù)程序，在程序中關(guān)斷上一測點(diǎn)對應(yīng)的MOS管，讀取8253中計數(shù)通道1、2的計數(shù)值，打開下一測點(diǎn)對應(yīng)的MOS管，用計數(shù)通道1的值計算漂移系數(shù)校正系統(tǒng)漂移，再將計數(shù)器2的計數(shù)值轉(zhuǎn)化為測點(diǎn)溫度。

4 系統(tǒng)標(biāo)定與應(yīng)用

利用圖2中電容CT的充放電時間常數(shù)可以計算測點(diǎn)溫度與TLC555輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系，但在實(shí)際應(yīng)用中由于各器件的制造誤差，很難直接由對應(yīng)關(guān)系計算測點(diǎn)溫度。系統(tǒng)的直接測得量是8253的計數(shù)值，校正系統(tǒng)漂移后只有一個量 （ΔN2*/N0），通過初始標(biāo)定獲得溫度測量范圍內(nèi)每隔0.2K對 應(yīng) 的 （ΔN2*/N0）， 將 其 順 序 保 存 在 FLASH存 儲 器SST25VF016中。在測量時，PIC18F6722按照線性插值方法將8253的計數(shù)值轉(zhuǎn)化為測點(diǎn)溫度。因?yàn)闇y量系統(tǒng)包含系統(tǒng)漂移校正機(jī)制，故系統(tǒng)標(biāo)定過程只需執(zhí)行一次便可保證長期穩(wěn)定的測量精度。

具體應(yīng)用中使用PIC18F6722的空閑I/O口實(shí)現(xiàn)了12×12陣列共144個熱敏電阻的多點(diǎn)測量。TLC555在溫度為298 K時的振蕩頻率約為2 kHz，經(jīng)過系統(tǒng)標(biāo)定后，在280～320 K的范圍內(nèi)測量精度優(yōu)于0.05 K，單點(diǎn)測量時間約為7 ms，全場測量時間約為1 s，滿足了流體實(shí)驗(yàn)中對多點(diǎn)溫度高精度快速測量的需要。該測量系統(tǒng)已成功應(yīng)用于水平溫差對流的實(shí)驗(yàn)研究中。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了流體介質(zhì)內(nèi)多點(diǎn)精確快速測溫的功能，測點(diǎn)數(shù)目增多時系統(tǒng)的復(fù)雜度基本不變。硬件電路將測點(diǎn)溫度變化轉(zhuǎn)化為TLC555輸出頻率的變化，并用8253計數(shù)器進(jìn)行精確計數(shù)，單片機(jī)控制器只需讀寫8253寄存器即可計算測點(diǎn)溫度，簡化了軟件設(shè)計，方便系統(tǒng)的維護(hù)升級，單片機(jī)控制器改變8253的計數(shù)初值，不改動硬件即可在測量速度和準(zhǔn)確度間靈活選擇。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了漂移校正功能，省去了繁瑣的多次標(biāo)定過程，能夠在不同的使用環(huán)境中長期穩(wěn)定的測量。

[1]馬殷元，呂鳳玉，趙睿.用于生化反應(yīng)器溫度場的多點(diǎn)同步測量系統(tǒng)[J].自動化儀表，2011，32（9）:32－37.MA Yin-yuan，LV Feng-yu，ZHAO Ri. Multipoint synchronous measurement system for the temperature field of biochemical reactor[J].Process Automation Instrumentation，2011，32（9）:32－37.

[2]李云紅.基于紅外熱像儀的溫度測量技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]陳玉陽，劉垣明.用于熱色液晶定量測溫技術(shù)中的圖像采集及處理系統(tǒng)[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2003，18（11）:12－14.CHEN Yu-yang，LIU Yuan-ming.Image collectingand processing system used in liquid crystal technique[J].Information of Medical Equipment，2003，18（11）:12－14.

[4]Microchip corporation.PIC18F8722 Family Data Sheet[EB/OL].[2003－10]， http://www.microchip.com.

[5]Intel corporation.8253_datasheet[EB/OL].[2011－12].http://ishare.iask.sina.com.cn/f/22362496.html.

[6]Silicon Storage Technology.SST25VF016B Data Sheet[EB/OL].[2008]，http://www.sst.com.

[7]Texas Instruments Incorporated.TLC555 Timer Data Sheet[EB/OL].[2001].http://www.ti.com.

[8]百度百科.8253芯片[EB/OL].[2011－11].http://baike.baidu.com/view/1684875.htm.