溫度測(cè)控技術(shù)在中藥加速儀中的應(yīng)用

本文介紹了中藥加速儀利用單片機(jī)和熱敏電阻設(shè)計(jì)低成本溫度測(cè)控系統(tǒng)的一種溫度測(cè)量比值查表方法和溫度脈沖加熱控制法，并對(duì)硬件系統(tǒng)原理和軟件設(shè)計(jì)流程作了簡(jiǎn)要描述。

1. 引言

在現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)常對(duì)系統(tǒng)的溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制。不僅在各行各業(yè)，而且在大、中、小型控制系統(tǒng)中采用溫度測(cè)控技術(shù)。熱敏電阻有反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確、體積小、成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，利用單片機(jī)和熱敏電阻不僅可以解決對(duì)溫度精確測(cè)量的技術(shù)問題，還可通過可控硅實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。本文以某中藥加速儀的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行闡明。

2. 硬件電路設(shè)計(jì)

以熱敏電阻為測(cè)量元件的At89C2051單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)電路原理圖略可向作者索取。本文僅對(duì)中藥加速儀溫度測(cè)量與控制電路部分進(jìn)行描述。

2.1溫度測(cè)量元件

熱敏電阻是一種新型半導(dǎo)體感溫元件，具有體積小、重量輕、熱感應(yīng)快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高、阻值精度高、一致性好的優(yōu)點(diǎn)。熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種類型。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的電阻溫度特性，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值減小;當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻值增大，其阻值與溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性較大，在實(shí)際使用中要進(jìn)行線性化處理，但比較復(fù)雜，一般只使用線性度較好的一段。如果測(cè)出熱敏電阻的阻值，就可以間接的算出對(duì)應(yīng)的溫度值。MF52-3950型熱敏電阻工作溫度：-40℃～100℃;時(shí)間常數(shù)＜=3.2S;耗散系數(shù)＞=0.7 mW/℃;B常數(shù)：3950k。中藥加速儀的工作溫度為40℃～60℃;溫度誤差范圍-2℃～2℃，根據(jù)以上情況溫度測(cè)量元件選用MF52-3950型NTC熱敏電阻器。

2.2溫度測(cè)量電路與原理

用熱敏電阻測(cè)溫的硬件連接見圖1。

圖1中T1為測(cè)量點(diǎn);TP2（P1.1）為參考電阻R3充放電端;TP1（P1.0）為熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)充放電端。

將熱敏電阻RT與R2固定電阻并聯(lián)，當(dāng)溫度改變時(shí)，RT阻值改變。

（1）使At89C2051單片機(jī)P1.0（TP1）輸出高電平（H）、P1.1（TP0）輸出低電平（L），此時(shí)電阻R1、R2、RT與電容C1構(gòu)成RC電路并充電。

（2）當(dāng)測(cè)試點(diǎn)T1的電壓達(dá)到三極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，測(cè)試點(diǎn)T2變?yōu)榈停?dāng)89C2051單片機(jī)檢測(cè)到測(cè)試點(diǎn)T2變?yōu)榈碗娖綍r(shí)記錄充電時(shí)間t1。

圖1 熱敏電阻測(cè)溫

（3）使At89C2051單片機(jī)P1.0（TP1） 輸出低電平（L）、P1.1（TP0）輸出低電平（L）， 讓電容C1放電。

（4）放電完畢后，使At89C2051單片機(jī)P1.0（TP1） 輸出低電平（L）、P1.1（TP0） 輸出高電平（H），此時(shí)電阻R3與電容C1構(gòu)成RC電路并再次充電。

（5）當(dāng)At89C2051單片機(jī)再次檢測(cè)到測(cè)試點(diǎn)T2變?yōu)榈碗娖綍r(shí)記錄充電時(shí)間t2。

采用充電的辦法分別測(cè)出參考電阻R3的放電時(shí)間t2, 熱敏電阻器電阻網(wǎng)絡(luò)Rw的放電時(shí)間t1。則有下面的公式：

Rw=t1×R3 /t2 式中Rw=R1+（RT+Rw）/ （RT×Rw）

K= Rw / R3= t1 /t2

參考電阻R3在中藥加速儀的環(huán)境工作溫度內(nèi)變化微小，可忽略不計(jì)。

圖2 主程序流程圖

熱敏電阻溫度與阻值的關(guān)系有：R=R25 X expB｛1/（T+273）-1/（25+273）｝

其中：T-被測(cè)溫度

R25-熱敏電阻25℃時(shí)的阻值

B-熱敏電阻B常數(shù)

R-被測(cè)溫度下熱敏電阻阻值

通過以上公式，求出熱敏電阻在不同溫度下的阻值，可得到不同溫度下的RT和 Rw阻值表，再求出對(duì)應(yīng)溫度下熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)Rw與參考電阻比值表，也就是K值表，這樣就得到了不同溫度下K值與溫度的對(duì)應(yīng)表。K值可通過t1、t2求得，通過計(jì)算K值查 找對(duì)應(yīng)表，就可得到對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.3溫度控制電路

At89C2051單片機(jī)對(duì)溫度的控制是通過可控硅實(shí)現(xiàn)的，如單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)電路原理圖所示。由At89C2051單片機(jī)P3.0發(fā)出控制信號(hào)，控制可控硅的通斷就可實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的。At89C2051只要改變P3.0的接通時(shí)間就可調(diào)節(jié)溫度的變化。由于中藥加速儀存在熱慣性和時(shí)間滯后等特性，為精確控制溫度帶來困難，可通過脈沖加熱控制法控制溫度。即通過測(cè)得的溫度與設(shè)定溫度的差值大小，分別采用不同寬度的脈沖，控制P3.0的接通時(shí)間達(dá)到控溫的目的。

圖3 外部中斷0服務(wù)子程序流程圖

圖4 定時(shí)器0服務(wù)子程序流程圖

3.軟件流程設(shè)計(jì)

3.1主程序流程設(shè)計(jì)

溫度測(cè)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：

（1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別及溫度顯示;（2）溫度測(cè)量與處理;（3）溫度控制;（4）過流保護(hù);（5）出錯(cuò)告警。

主程序包括At89C2051的初始化、RC電路充放電處理、溫度顯示、過流保護(hù)及鍵盤處理。還包括中斷服務(wù)程序的初始化、定時(shí)器初始化、標(biāo)志初始化、單片機(jī)端口初始化等。

3.2外部中斷0服務(wù)子程序

外部中斷0服務(wù)子程序溫度測(cè)量的主程序，用于執(zhí)行放電操作、啟動(dòng)定時(shí)器1、記錄放電時(shí)間、比值計(jì)算查表、判定是否有效溫度與熱敏電阻開路或短路。

外部中斷0服務(wù)子程序在計(jì)算比值時(shí)，因?yàn)門2/T1值比較小，所以乘以100取整，再進(jìn)行判斷是否為有效溫度值范圍。在有效值范圍內(nèi)，通過查表得到測(cè)量溫度。當(dāng)超出有效溫度范圍時(shí)，可根據(jù)比值大小判斷熱敏電阻器開路或短路，作出報(bào)警處理。

在中藥加速儀設(shè)計(jì)中采用比值查表法測(cè)量藥包的溫度，通過驗(yàn)證，測(cè)量溫度的精度可控制在1℃之內(nèi)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

3.3定時(shí)器0服務(wù)子程序

定時(shí)器0服務(wù)子程序包括設(shè)置定時(shí)器、加熱控制、定時(shí)判斷、設(shè)置充電標(biāo)志等。根據(jù)測(cè)得的溫度與設(shè)定的溫度差值，當(dāng)溫度差值大于3℃時(shí)，采用加熱絲持續(xù)加熱，快速加溫至設(shè)定溫度，程序控制At89C2051單片機(jī)P3.0發(fā)出控制信號(hào)保持可控硅持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)溫度差值小于3℃時(shí)，由于加熱絲存在熱慣性和時(shí)間滯后等特性，防止溫度過沖，采用脈沖加熱，程序控制At89C2051單片機(jī)P3.0發(fā)出脈沖控制信號(hào)，控制可控硅導(dǎo)通。當(dāng)溫度差值為0℃時(shí)，停止加熱，程序控制At89C2051單片機(jī)P3.0發(fā)出控制信號(hào)控制可控硅斷開。

通過在中藥加速儀設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用，采用程序控制脈沖加熱法控制藥包的溫度，通過驗(yàn)證，設(shè)定溫度與藥包溫度誤差范圍可控制在-2℃～2℃之內(nèi)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

利用單片機(jī)和熱敏電阻設(shè)計(jì)溫度測(cè)控系統(tǒng)的溫度測(cè)量比值查表法和溫度脈沖加熱控制法，通過在中藥加速儀設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用，已得到充分驗(yàn)證。At89C2051單片機(jī)和熱敏電阻體積小、重量輕、抗干擾性能強(qiáng)、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高、靈活性好、一致性好、對(duì)環(huán)境要求不高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便。本文的溫度測(cè)控系統(tǒng)僅是單片機(jī)廣泛應(yīng)用的一例，相信單片機(jī)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是闡述了利用單片機(jī)和熱敏電阻設(shè)計(jì)溫度測(cè)控系統(tǒng)的溫度測(cè)量比值查表法和溫度脈沖加熱控制法，通過在中藥加速儀設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，精確測(cè)量、控制中藥加速儀藥包的溫度。