基于單片機(jī)的多點(diǎn)溫度測量儀的設(shè)計(jì)[圖] - 全文

摘要：提出一種以熱敏電阻為溫度傳感器，經(jīng)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路將熱敏電阻的輸出轉(zhuǎn)換為脈寬信號，再由PIC16F876單片機(jī)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度顯示的溫度測量儀。采用比較法消除了電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路由于器件參數(shù)變化造成的測量誤差，提高了測量精度。該多點(diǎn)溫度測量儀具有數(shù)字顯示溫度和以RS232串口輸出溫度的功能。

許多場合需要對多點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)控。測量溫度的傳感器比較多，目前普遍采用的是熱電偶和熱電阻。熱電偶測量溫度范圍寬、精度高、性能穩(wěn)定，但價(jià)格高且輸出熱電動(dòng)勢低，不便于使用。金屬熱電阻測量溫度范圍在幾百度以內(nèi)，測量精度也較高，但是輸出靈敏度較低。半導(dǎo)體熱電阻即熱敏電阻，具有高輸出靈敏度的特點(diǎn)，且隨著加工工藝的改善，測量精度和互換性都有了很大的提高，且價(jià)格低廉。

1 測量電路的設(shè)計(jì)

多點(diǎn)溫度測量儀由熱敏電阻、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、顯示部分和RS232串行輸出接口組成，如圖1所示。每個(gè)熱敏電阻由單片機(jī)控制，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路相連，并被轉(zhuǎn)換成與其阻值成正比的脈寬信號，單片機(jī)對脈寬信號進(jìn)行測量，從而得到熱敏電阻的阻值，再經(jīng)過查表得到被測溫度。

1.1 電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路

電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路由555芯片、電阻R和電容C組成，如圖2所示。電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路實(shí)際上是一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。圖中虛線框內(nèi)為555的原理電路，555電路包括一個(gè)三極管開關(guān)T1，2個(gè)電壓比較器C1和C2，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，以及由3個(gè)阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器[1]。

對于該單穩(wěn)觸發(fā)器，只要在其觸發(fā)端（引腳2）施加一個(gè)低電平觸發(fā)信號，它便會輸出一高電平信號，該高電平持續(xù)的時(shí)間為電容C上的電壓由零上升到2Ec/3所需的時(shí)間，而這段時(shí)間的長短是由外接電阻R和電容C 所決定的。若保持電容C不變，這段高電平時(shí)間則與外接電阻R成正比，所以根據(jù)輸出高電平的持續(xù)時(shí)間，即脈沖寬度便可知道電阻R的大小。轉(zhuǎn)換電路所輸出的高電平寬度(時(shí)間t)與外接電阻和電容的關(guān)系為t=RCln3。

這里，溫度傳感器選用的是熱敏電阻，同金屬熱電阻相比，熱敏電阻的溫度系數(shù)比較大，且阻值較高，這樣轉(zhuǎn)換電路的電容C可以選擇性能比較穩(wěn)定的小電容，以保證轉(zhuǎn)換電路長期工作的穩(wěn)定性。

1.2 單片機(jī)

單片機(jī)采用微芯公司的PIC16F876型號單片機(jī)[2]。為了準(zhǔn)確測量電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度，這里利用了該單片機(jī)的捕捉輸入接口。PIC16F876單片機(jī)有兩個(gè)捕捉輸入接口CCP1和CCP2，每個(gè)接口由兩個(gè)8bit寄存器構(gòu)成。CCP1對應(yīng)RC2引腳，CCP2對應(yīng)RC1引腳。對于捕捉輸入接口CCP1，當(dāng)RC2引腳每出現(xiàn)一個(gè)脈沖的上升沿或下降沿（可以設(shè)定）時(shí)，就會將單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)16bit定時(shí)器的內(nèi)容送入捕捉接口的兩個(gè)8bit寄存器中，根據(jù)這個(gè)功能，便可準(zhǔn)確地測量電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度。具體測量方法是：首先，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖，觸發(fā)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路，使其輸出端變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)讓單片機(jī)內(nèi)部的16bit定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號結(jié)束時(shí)，RC2的引腳上便會出現(xiàn)一個(gè)下降沿，CCP1捕捉到這個(gè)下降沿后，立即將單片機(jī)內(nèi)部的16bit定時(shí)器的數(shù)據(jù)送往CCP1的兩個(gè)8bit寄存器中[3]，這個(gè)數(shù)據(jù)就是電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度。由于對下降沿的捕捉是由單片機(jī)內(nèi)部硬件完成的，因此用這種方法對脈沖的寬度進(jìn)行測量可以保證測量精度。

1.3 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路

由于熱敏電阻是由電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈寬信號的，為了多個(gè)熱敏電阻共用一個(gè)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路，采用了CD4051多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，CD4051為8對1電子開關(guān)，具體哪一路接通，可由單片機(jī)通過三個(gè)控制端進(jìn)行控制。

1.4 顯示電路

顯示電路由數(shù)碼管、三極管等元件組成，如圖3所示。為了降低成本，充分利用單片機(jī)資源，采用掃描顯示方式，即由單片機(jī)控制數(shù)碼管分時(shí)顯示。例如，單片機(jī)將要顯示的最低位轉(zhuǎn)換為7段碼后，經(jīng)I/O口發(fā)送到CHa~CHg，然后再使CH1變?yōu)楦撸@樣數(shù)碼管L1顯示，停留一段時(shí)間后，再使數(shù)碼管L2顯示，然后再使數(shù)碼管L3顯示。由于一個(gè)循環(huán)顯示周期很短，因此不會發(fā)生閃爍。另外可以根據(jù)顯示位數(shù)的多少，增減數(shù)碼管的個(gè)數(shù)。

1.5 RS232接口電路

所測溫度除了可以直接顯示外，還可以進(jìn)行串行輸出。由于單片機(jī)的異步串行通信接口不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，為此，需要一個(gè)RS232接口電路，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信信號。RS232接口電路采用MAX232芯片，MAX232芯片內(nèi)含兩套RS232接口電路，最大傳輸距離可達(dá)15m，這個(gè)傳輸距離一般可以滿足溫度測量的需求。

2 測量誤差及補(bǔ)償

2.1 測量誤差產(chǎn)生原因

由于電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度與外接電阻和電容的關(guān)系為：t=RCln3，對于溫度測量儀，這里電阻R包括熱敏電阻Rt、連接導(dǎo)線電阻R導(dǎo)和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)接通電阻R開。連接導(dǎo)線R導(dǎo)在長度確定后可以認(rèn)為不發(fā)生變化，但多路轉(zhuǎn)換開關(guān)型號不同或溫度改變時(shí)，R開要發(fā)生變化。另外轉(zhuǎn)換電容C因型號不同或老化，電容值也是不同的，所以即使被測溫度沒有發(fā)生變化，電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度也會發(fā)生變化，即產(chǎn)生溫度測量誤差。

2.2 測量誤差的補(bǔ)償

基于單片機(jī)的多點(diǎn)溫度測量儀，采用熱敏電阻為溫度傳感器，經(jīng)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路，再由PIC16F876單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度的數(shù)字顯示，經(jīng)RS232通信接口，還可將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸。采用比較法消除了電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路由于器件參數(shù)變化造成的測量誤差，提高了測量精度。該多點(diǎn)溫度測量儀具有電路簡單、無需調(diào)試、測量精度高、成本低廉等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.
     [2]劉和平.PIC16F876X單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
     [3]竇振中.PIC系列單片機(jī)原理與程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.