王 娟，謝 檬

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院電氣與信息工程系，陜西西安710018）

溫度是人們?cè)诠まr(nóng)業(yè)和日常生活中的一項(xiàng)重要生產(chǎn)生活指標(biāo)，有著極其重要的作用，尤其是一些特殊場(chǎng)合，對(duì)溫度的精度測(cè)量也會(huì)有一定的要求，而熱電阻傳感器適用于對(duì)溫度檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合，熱電阻傳感器能夠用于檢測(cè)-200℃～+600℃范圍內(nèi)的溫度[1-4]。而單片微型計(jì)算機(jī)（即單片機(jī)）憑借其豐富的接口，以及軟件程序?qū)崿F(xiàn)硬件功能的特性，彌補(bǔ)了熱電阻單獨(dú)測(cè)溫時(shí)不能滿足工業(yè)要求精度的劣勢(shì)[5-6]。文中設(shè)計(jì)的基于89C52單片機(jī)的高精度熱電阻溫度采集測(cè)量模塊，使得溫度控制精度大大提高，滿足工業(yè)控制和日常生活對(duì)測(cè)溫的要求。

1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)主控模塊、溫度采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、矩陣鍵盤模塊等組成。溫度測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 溫度測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 溫度采集處理模塊

溫度采集模塊，也就是測(cè)溫與信號(hào)放大模塊電路，如圖2所示，該測(cè)溫模塊主要由PT100鉑熱電阻和LM358芯片組成。

LM358內(nèi)部有兩個(gè)高增益的雙運(yùn)算放大器，運(yùn)放U1A將VREF轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過(guò)PT100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過(guò)U1B將該微弱信號(hào)放大，即輸出期望的電壓信號(hào)，可直接用于AD轉(zhuǎn)換。LM358的封裝形式有貼片式和直插式，但是貼片式的封裝不利于電路的焊接，所以本設(shè)計(jì)中選用的封裝方式是雙列直插式。等效恒流源輸出的電流最好不超過(guò)1 mA，以免電流大使得PT100電阻自身發(fā)熱造成測(cè)量溫度不準(zhǔn)確[7-9]。

由熱電阻的恒流源調(diào)理電路可知，電路放大倍數(shù)為10倍，VREF為基準(zhǔn)電壓[10]。本設(shè)計(jì)中基準(zhǔn)電壓是4.096 V，采用TO-92封裝方式的基準(zhǔn)電壓芯片MCP1541產(chǎn)生，信號(hào)穩(wěn)定且便于電路的焊接。

圖2 測(cè)溫與信號(hào)放大電路

1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊主要由A/D芯片TLC2543及其外圍電路組成，其硬件電路圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換模塊主要由A/D芯片TLC2543及其外圍電路組成，本設(shè)計(jì)中只使用一路A/D轉(zhuǎn)換通道，這里選擇通道0即AIN0。TLC2543芯片的各種功能由控制字節(jié)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，比如選擇使用哪個(gè)模擬量輸入通道等，控制字節(jié)存放在控制寄存器中，是從低位D0到高位D7的8位數(shù)據(jù)，通過(guò)配置這8位數(shù)據(jù)可以控制TLC2543芯片使用哪路A/D通道、數(shù)據(jù)輸出的格式和位數(shù)等等功能[11-12]。

D0決定了轉(zhuǎn)換出的結(jié)果輸出的格式；

D1為0時(shí)，輸出數(shù)據(jù)格式為高位在前，D0為1時(shí)，輸出格式為低位在前；

D2和D3為01時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)為8位數(shù)據(jù)，D2、D3為11時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)為16位數(shù)據(jù)，D2、D3為X1時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)為12位數(shù)據(jù)；

D4、D5、D6、D7為 1100-1110的時(shí)候，芯片檢測(cè)片內(nèi)電壓。當(dāng)它們?yōu)?111時(shí)，芯片的電流為25 μA，進(jìn)入休眠低功耗模式。

最初，CS為高電平，時(shí)鐘輸入輸出和數(shù)據(jù)輸入都被禁止了且都為高阻抗?fàn)顟B(tài)。CS由高電平到低電平時(shí)開(kāi)始序列轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘輸入輸出和數(shù)據(jù)輸入的高祖抗?fàn)顟B(tài)被刪除，功能被開(kāi)啟。輸入數(shù)據(jù)是一個(gè)8位數(shù)據(jù)流和4比特組成的模擬通道地址（D7-D4）還有2比特的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，選擇（D3-D2），一個(gè)輸出MSB和LSB，第1位（D1），和一個(gè)單極或雙極輸出選擇（D0）應(yīng)用于數(shù)據(jù)輸入。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，I/O時(shí)鐘序列也從之前的輸出數(shù)據(jù)得出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

1.3 人機(jī)接口

人機(jī)交互對(duì)話最通用的方法就是通過(guò)鍵盤和LCD顯示進(jìn)行的，操作者通過(guò)鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息，并將結(jié)果通過(guò)LCD屏顯示出來(lái)。

本設(shè)計(jì)中選擇使用矩陣鍵盤連接方式[13]，硬件設(shè)計(jì)圖上的P13、P14、P15、P16是接在單片機(jī)引腳上的。

本設(shè)計(jì)采用的LCD1602低功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。單片機(jī)內(nèi)部P1口、P2口、P3口都有內(nèi)部上拉電阻，而P0口沒(méi)有內(nèi)部上拉電阻，設(shè)計(jì)中P0口連接LCD1602顯示模塊，所以在電路中給P0口加了10K的上拉電阻。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要對(duì)A/D模塊傳遞的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出PT100鉑熱電阻的阻值，然后根據(jù)該阻值通過(guò)查表法得出相應(yīng)的溫度數(shù)值，再將溫度數(shù)值在LCD上顯示出來(lái)。按鍵可以變換溫度的顯示模式，分別是攝氏溫度、華氏溫度、開(kāi)氏溫度。如果沒(méi)有按鍵按下，LCD將顯示攝氏溫度；如果有按鍵按下，根據(jù)按鍵值，LCD將顯示相應(yīng)的溫度模式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 A/D轉(zhuǎn)換程序

A/D轉(zhuǎn)換芯片使用的是TI公司的TLC2543芯片，這款芯片使用SPI串行數(shù)據(jù)傳輸方式，而本設(shè)計(jì)中只用到芯片的一路轉(zhuǎn)換通道。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)為Dn=2n×VIN/VREF。

2.2 顯示程序

LCD1602能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

LCD1602顯示屏使用HD44780控制，該芯片中包含多個(gè)寄存器，在顯示之前，需要對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，即LCD初始化。初始化完畢以后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)相應(yīng)的控制方式，將計(jì)算出的溫度數(shù)值各個(gè)位提取出來(lái)，方便顯示。顯示子程序流程圖如圖5所示。

圖5 顯示流程圖

2.3 鍵盤掃描程序

系統(tǒng)中鍵盤采用矩陣鍵盤方案。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。要使單片機(jī)能檢測(cè)到矩陣鍵盤中的按鍵按下，需使用鍵盤掃描的方式對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，即先將鍵盤逐行置低，在此過(guò)程中，逐列檢測(cè)，如果檢測(cè)到某列連接的引腳為低，說(shuō)明該行與該列的交叉點(diǎn)的按鍵被按下，根據(jù)行值與列值計(jì)算鍵值，將鍵值記錄下來(lái)。

按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線通過(guò)上拉電阻接到+5 V電源上。無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平的狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。

在本設(shè)計(jì)鍵盤掃描中，如果檢測(cè)到按鍵1按下，則返回值為1；檢測(cè)到按鍵2按下，返回值為2；檢測(cè)到按鍵3按下，返回值為3；檢測(cè)到按鍵4，返回值為4；初始時(shí)，沒(méi)有按鍵按下，返回值為0。所以在主程序中會(huì)根據(jù)返回的鍵值來(lái)顯示不同的溫度模式：當(dāng)鍵值為0或者4時(shí)，溫度顯示模式普通溫度模式；當(dāng)鍵值為1時(shí)，溫度顯示為攝氏溫度模式；當(dāng)鍵值為2時(shí)，溫度顯示為華氏溫度模式；當(dāng)鍵值為3時(shí)，溫度顯示為開(kāi)氏溫度模式。

3 功能測(cè)試

將程序下載到單片機(jī)中，LCD1602液晶顯示屏插入正確位置，PT100鉑熱電阻連接至電路板中，安裝好電池，之后打開(kāi)電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。所選擇比較的標(biāo)定測(cè)試儀器參數(shù)指標(biāo)如下：

測(cè)量范圍：-200.0～600.0 ℃；傳感器：PT100；顯示：五位LCD；基本誤差：±0.05%、±0.2%；采樣時(shí)間：1～2 s；環(huán)境條件：溫度：-40～70 ℃；相對(duì)濕度：90%RH。

具體測(cè)試步驟：

1）將PT100探測(cè)頭端置于冰水混合物中靜置幾分鐘，然后觀察顯示屏數(shù)值。

2）將PT100探測(cè)頭端與數(shù)字溫度計(jì)置于同一杯常溫水中靜置一段時(shí)間，觀察顯示屏與數(shù)字溫度計(jì)數(shù)值并且進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 本系統(tǒng)與數(shù)字溫度計(jì)同時(shí)測(cè)溫水溫度

3）將PT100探測(cè)頭端與數(shù)字溫度計(jì)置于同一壺剛燒開(kāi)的水中，觀察顯示屏數(shù)值并讀取數(shù)字溫度計(jì)數(shù)值，如圖7所示。

圖7 本系統(tǒng)與溫度計(jì)同時(shí)測(cè)開(kāi)水溫度

4）在上一步驟操作完后，將水壺蓋打開(kāi)散熱，PT100探測(cè)頭與數(shù)字溫度計(jì)放置在水中不變，每隔3分鐘記錄一次顯示屏的數(shù)值與數(shù)字溫度計(jì)的數(shù)值。

5）重復(fù)上述步驟多次，測(cè)量多組數(shù)據(jù)。

6）對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

通過(guò)上述的測(cè)試步驟，得出了一組測(cè)量溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

在以上的測(cè)試中，假設(shè)數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量的數(shù)值為溫度的實(shí)際數(shù)值，那么就有：

絕對(duì)誤差=數(shù)字溫度計(jì)讀取數(shù)值-顯示屏顯示數(shù)值；

相對(duì)誤差=（絕對(duì)誤差/顯示屏顯示數(shù)值）*100%。

絕對(duì)誤差能表示測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)偏離的數(shù)值大小，而相對(duì)誤差能表示測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠程度[14-15]。由上表數(shù)據(jù)可知，每一組的絕對(duì)誤差很小，即表明系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差很小[16]。而每一組的相對(duì)誤差都不超過(guò)0.5%，說(shuō)明測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，而測(cè)量精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表1繪制出數(shù)字溫度計(jì)和實(shí)際測(cè)試溫度對(duì)比坐標(biāo)圖如圖8所示。

由圖8可以看到上方的虛線是由系統(tǒng)溫度測(cè)試儀測(cè)試出的溫度值所繪制出的圖形，下方的實(shí)線是由數(shù)字溫度計(jì)測(cè)試的溫度值所繪制出的圖形[17]，對(duì)比圖形可以看出兩條線幾乎一致，

表明設(shè)計(jì)的高精度溫度測(cè)試儀的誤差是非常小的。

圖8 本系統(tǒng)和溫度計(jì)測(cè)溫對(duì)比坐標(biāo)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了高精度測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性，設(shè)計(jì)中采用最常用的單片機(jī)芯片作為CPU，結(jié)合鉑熱電阻PT100溫度采集電路，完成了一整套測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)不同的水溫進(jìn)行多次測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄并分析得出結(jié)果，結(jié)果證明系統(tǒng)工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。