張軻

（洛陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，河南洛陽471003）

1 概述

現(xiàn)今社會從工業(yè)生產(chǎn)到生活的方方面面，溫度控制儀表的應(yīng)用越來越廣泛。特別是以單片機(jī)為核心的智能數(shù)顯溫控儀由于其顯示直觀清晰、測控穩(wěn)定可靠在市場上所占比例最大。本設(shè)計(jì)中的溫控儀以宏晶STC51單片機(jī)為核心，以最簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)測量、顯示、控制功能。結(jié)合對測量電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，配合軟件及工裝實(shí)現(xiàn)了較高精度以及生產(chǎn)過程的自動標(biāo)定。

2 儀表組成

系統(tǒng)由電源供電、單片機(jī)最小系統(tǒng)、LED顯示及驅(qū)動、鍵盤、AD轉(zhuǎn)換電路、控制輸出電路、串行通信電路組成。此系統(tǒng)基本上已是通用設(shè)計(jì)應(yīng)用，已比較廣泛不再贅述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在保證系統(tǒng)的可靠性和精度的前提下盡量縮減成本，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高儀表各個(gè)方面的性能。下面簡述一下優(yōu)化部分的硬件組成。

2.1 單片機(jī)選用宏晶科技51內(nèi)核STC系列單片機(jī)，在國產(chǎn)低成本的優(yōu)勢之外STC單片機(jī)應(yīng)用ISP/IAP（在系統(tǒng)/在應(yīng)用編程）技術(shù)使片內(nèi)程序存儲器可作為EEPROM使用，設(shè)計(jì)中外部無須再連接片外數(shù)據(jù)存儲器；同時(shí)無需專用編程器可通過串口直接下載用戶程序，同時(shí)芯片封裝可選用體積較小的QFP貼片，降低了線路板體積，提高抗干擾能力。其內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路也簡化了外圍電路。此外此系列單片機(jī)超低功耗、超強(qiáng)抗干擾、高抗靜電的特性也是設(shè)計(jì)中選擇的重要原因。

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路使用555定時(shí)器組成多些諧振蕩器以實(shí)現(xiàn)電壓到頻率的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)同樣是簡單實(shí)用，結(jié)合單片機(jī)程序設(shè)計(jì)可以達(dá)到較高精度。同傳統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換電路相比具有低成本和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。VF電路頻率輸出端直接接入單片機(jī)計(jì)數(shù)器外部輸入端P3.4。計(jì)數(shù)器T0可工作在中斷方式，在16位計(jì)數(shù)器溢出的情況下在中斷中增加內(nèi)部存儲器作為計(jì)數(shù)器的高位，可大范圍提高測量部分的頻率范圍最終提高AD部分的測量分辨率。

2.3 為了提高系統(tǒng)測量穩(wěn)定性及精度在電路設(shè)計(jì)中我們應(yīng)用了一片模擬開關(guān)電路CD4051。CD4051相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字控制的單刀八擲開關(guān)，其應(yīng)用于AD轉(zhuǎn)化電路前相當(dāng)于將AD轉(zhuǎn)化擴(kuò)展到了八路。在此處擴(kuò)展的主要作用有兩個(gè)：

其一，在擴(kuò)展出的輸入上接入零點(diǎn)（模擬地）和一路標(biāo)準(zhǔn)電壓。其作用是每次測量溫度時(shí)同時(shí)測量零點(diǎn)和量程作為參照，這樣就可以完全杜絕VF轉(zhuǎn)換電路的時(shí)飄和溫飄等不穩(wěn)定因素，在提高測量的穩(wěn)定性的同時(shí)也降低了對555定時(shí)器及其周邊器件的要求，在低成本的前提下實(shí)現(xiàn)較高精度及穩(wěn)定性。

其二，一般溫控器的傳感器有多種類型如熱電偶、熱電組、mv信號、4-20ma信號等，如果將這些信號接入同一個(gè)點(diǎn)可能導(dǎo)致信號調(diào)理電路互相影響或者說增加了信號調(diào)理電路的復(fù)雜程度，而目前的模擬開關(guān)電路可以使不同的信號獨(dú)立接入相互獨(dú)立的開關(guān)上，測量時(shí)由單片機(jī)選擇相應(yīng)傳感器即可。具體電路見圖1。

圖1

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包含顯示驅(qū)動掃描、鍵盤掃描、中斷處理、計(jì)數(shù)器處理（AD轉(zhuǎn)換）、串行通訊、溫度計(jì)算、溫度控制（數(shù)字PID算法）、自檢、自動標(biāo)定等一系列程序模塊。文中著重介紹和硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)的部分。

3.1 AD轉(zhuǎn)換部分：每次的AD轉(zhuǎn)換分時(shí)轉(zhuǎn)換三次，第一次單片機(jī)IO輸出選中模擬開關(guān)中地線對應(yīng)的接入點(diǎn)，此時(shí)通過測量VF轉(zhuǎn)換得到零點(diǎn)計(jì)數(shù)值X0；第二次單片機(jī)IO輸出選中模擬開關(guān)中標(biāo)準(zhǔn)電壓對應(yīng)的接入點(diǎn)，此時(shí)得到標(biāo)準(zhǔn)電壓計(jì)數(shù)值X1；第三次單片機(jī)IO輸出選中模擬開關(guān)中模擬輸入對應(yīng)的接入點(diǎn)，此時(shí)通過測量VF轉(zhuǎn)換得到計(jì)數(shù)值X；對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)為y=(x-x0)/(x1-x0)*標(biāo)準(zhǔn)電壓。此電壓值通過查表可得到對應(yīng)的溫度值。溫度電壓表通過自動標(biāo)定程序獲得。通過查表方式從根本上解決了溫度測量調(diào)理電路和VF轉(zhuǎn)換電路帶來的非線性，軟件中無需再增加非線性調(diào)整部分的設(shè)計(jì)，但傳感器及其電路的線性越差標(biāo)定時(shí)需要的標(biāo)定點(diǎn)就會越多。由于模擬開關(guān)的引入使系統(tǒng)測量部分AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間增加了三倍是本設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)。

3.2 自動標(biāo)定部分：生產(chǎn)過程中通過特殊操作使儀器進(jìn)入自動標(biāo)定流程，儀表首先運(yùn)行自檢程序，自檢結(jié)束進(jìn)入自動標(biāo)定流程。以傳感器為熱電阻PT100的自動標(biāo)定為例：溫控儀自檢結(jié)束LED顯示100提示接入標(biāo)準(zhǔn)電阻箱的阻值調(diào)至100歐姆（或者溫控表和工裝通過串口連接，工裝接受串行口傳送數(shù)據(jù)自動接入標(biāo)準(zhǔn)電阻100歐姆）。待顯示屏溫度顯示穩(wěn)定后按下確認(rèn)鍵此時(shí)溫控儀記錄此時(shí)的AD值和對應(yīng)溫度生成表中的一個(gè)點(diǎn)。依此類推可得到完整的電壓溫度表供實(shí)際使用時(shí)查詢。標(biāo)定結(jié)果可以直接顯示在LED屏，上也可通過串口連接管理微機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理自動化。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)立足于低成本，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)、軟硬件結(jié)合，在低成本基礎(chǔ)上達(dá)到了較高的精度、穩(wěn)定性和抗干擾性能。以上設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)有較大優(yōu)勢：降低了對原器件的要求，自動標(biāo)定程序能在較大范圍內(nèi)對誤差進(jìn)行調(diào)整和自動修正；降低了生產(chǎn)工人勞動強(qiáng)度，把工人從以往繁瑣的儀器標(biāo)定中解脫出來，降低了勞動力成本；由以往單純測量改為比對方式提高了儀表在后續(xù)的使用中的長期穩(wěn)定性，減少了儀表的售后服務(wù)工作，延長了儀表壽命。產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制過程以及商用家用等各個(gè)領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]楊天怡，黃勤.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]趙國相.微機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教程∶調(diào)速與控溫[M].吉林：吉林音像出版社，2010.

[3]樂建波.溫度控制系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.