R-T電阻溫度系數(shù)測定儀的改進(jìn)

引 言

傳統(tǒng)的R-T 電阻溫度系數(shù)測定儀是用來研究金屬電阻與其溫度關(guān)系的儀器，構(gòu)造簡單，可通過反復(fù)調(diào)節(jié)滑動變阻器實現(xiàn)對銅絲電阻溫度的測量，但不具備維持溫度的功能。近年來，隨著微型計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機(jī)憑借其價格低、處理能力強(qiáng)、控制簡單、抗干擾能力優(yōu)于一般 CPU 的優(yōu)點， 被廣泛應(yīng)用于有較高控制精度和較低成本要求的工業(yè)測控系統(tǒng)中，同時采用單片機(jī)作為數(shù)字控制器取代模擬控制器 [1]。利用單片機(jī)對傳統(tǒng) R-T 溫度系數(shù)測定儀進(jìn)行改進(jìn)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)說明

恒溫控制系統(tǒng)分為四個模塊，分別為溫度顯示模塊、溫度測量模塊、用戶設(shè)定模塊和加熱控制模塊。本文恒溫控制系統(tǒng)選擇 STC8951 單片機(jī)芯片作為主控模塊，選用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 精確測量溫度。為了便于用戶使用，本文恒溫系統(tǒng)選用雙端顯示，將銅絲電阻實時變化的溫度和用戶設(shè)定的溫度顯示在兩塊四位 LED 數(shù)碼管上，使效果更加直觀。在溫度控制方面，通過單片機(jī)處理 DS18B20 實時測量的溫度與之前按鍵設(shè)定的溫度，根據(jù)兩者的差值利用 PWM 調(diào)制技術(shù)控制加熱電阻加熱功率和通斷時間比例以實現(xiàn)恒溫控制效果。本文系統(tǒng)在加熱時紅色 LED 指示燈亮，恒溫狀態(tài)時綠色LED指示燈點亮、紅色 LED 指示燈閃爍。系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 主控模塊

本設(shè)計主控模塊選用單片機(jī)進(jìn)行控制。單片機(jī)是集 CPU， RAM，ROM，I/O 接口與中斷系統(tǒng)等于一體的器件，體積雖小但功能強(qiáng)大，只需要外加電源和晶振就可輕松實現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制 [2]。

本設(shè)計選擇宏晶科技有限公司生產(chǎn)的 STC89C51 芯片， 它價格便宜，功能強(qiáng)大，擁有 32 個可編程 I/O 口，4 kB 可編程FLASH 程序存儲區(qū)存儲器可擦寫 10 萬次以上，3 個 16 位定時器 / 計數(shù)器，2 個串行中斷 / 外部中斷 [3]。

2.2 溫度測量模塊

設(shè)計的系統(tǒng)采用測量精度較高的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20 是美國達(dá)拉斯（DALLAS）公司生產(chǎn)的一款數(shù)字式溫度傳感器 [4]，能夠?qū)囟冗@個模擬量進(jìn)行放大處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸送給單片機(jī)芯片，之后單片機(jī)芯片對溫度進(jìn)行分析處理，最終實現(xiàn)對溫度的測量與控制，其具有如下特點：

（1）體積小且封裝形式多樣。

（2）溫度測量范圍為 -55 ℃～125 ℃，-10 ℃～ 85 ℃時測量精度需確保為 0.5 ℃。

(3) 溫度測量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換時間非常短，9位溫度值轉(zhuǎn)換時間為 93.75 ms。

(4) DS18B20能夠運用1-wire總線技術(shù)（將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合并為一根信號線），只需單片機(jī)的一個 I/O口即可實現(xiàn)雙向通信，無需 A/D轉(zhuǎn)化器，硬件電路簡單。

(5) 工作電源為 3～5V，能夠在寄生電源模式下工作，無需額外電源。

2.3 溫度顯示模塊

設(shè)計系統(tǒng)采用 LED 數(shù)碼管作為顯示元件，它具有高亮度、壽命長、成本低廉等特點，是電子設(shè)備的常用顯示器件。本設(shè)計的溫控系統(tǒng)測溫范圍為 40 ℃～ 80 ℃，因此選用 4 位 8 段數(shù)碼管。

2.4 溫度設(shè)定模塊

本設(shè)計采用兩個獨立式按鍵供用戶選擇，分別為加鍵和減鍵。獨立式按鍵邏輯編程簡單，只用了 2 個單片機(jī) I/O 口， 有效節(jié)省了資源。

2.5 溫度控制模塊

采用場效應(yīng)管控制 10 V 直流電源給 10 W/10 Ω 的水泥電阻進(jìn)行加熱。通過水泥電阻散發(fā)的熱量加熱銅絲電阻，銅絲電阻不斷吸收熱量最終與當(dāng)前環(huán)境溫度一致，由此實現(xiàn)恒溫控制。由單片機(jī)輸出 PWM 波，根據(jù)設(shè)定溫度與測量溫度之差決定輸出功率大小，利用高低電平控制場效應(yīng)管的通斷，從而控制水泥電阻加熱。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用 C 語言編程，通過對單片機(jī)編程實現(xiàn)對各外圍電路的控制。主程序首先對各子函數(shù)進(jìn)行初始化 ；然后調(diào)用讀取溫度、顯示溫度、按鍵設(shè)定子程序 ；最后使用 PWM 脈沖調(diào)制技術(shù)控制對加熱的通斷，最終實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)溫度的效果。

(1) 在溫度測量方面，DS18B20的操作順序必須按照嚴(yán)格的時隙來控制；

(2) 在設(shè)定與顯示方面，通過外部中斷控制按鍵子程序，通過定時器中斷控制掃描數(shù)碼管并顯示 ；

(3) 在溫度控制方面， 程序按照一定的過程執(zhí)行：當(dāng)實時測量的溫度小于設(shè)定溫度時，控制 PWM 波導(dǎo)通場效應(yīng)管，水泥電阻加熱，紅色指示燈亮 ；當(dāng)實時測量的溫度達(dá)到設(shè)定溫度減 1℃時，再次判斷實時溫度是否達(dá)到設(shè)定溫度， 若達(dá)到單片機(jī)便控制 PWM波場效應(yīng)管關(guān)斷，停止加熱綠色指示燈亮，否則繼續(xù)加熱紅色指示燈亮。若紅色指示燈處于閃爍狀態(tài)，則表明溫度場為恒溫狀態(tài)，即銅絲電阻處于恒溫狀態(tài)。

4 仿真與調(diào)試

在軟件調(diào)試方面，目前開發(fā)者們大多使用流行的 MCS-51系列單片機(jī)開發(fā)軟件——Keil。Keil 提供了完整的開發(fā)方案，包括宏匯編、C編譯器、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，它通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些組合在一起。本設(shè)計選用 Keil軟件的原因在于 KeilC51標(biāo)準(zhǔn) C編譯器為 51系列單片機(jī)的軟件開發(fā)提供了 C語言環(huán)境并保留了匯編代碼高效、快速的特點 [5]。KeilC51軟件能夠提供非常豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，生成目標(biāo)代碼的效率高。

在電路仿真方面，本設(shè)計采用Proteus軟件，它不僅具有與其他 EDA工具一樣的 PCB自動或人工布線、原理布圖和電路仿真功能，還具有互動電路仿真、應(yīng)用微處理器在原理圖的虛擬原型上進(jìn)行編程及軟件源碼實時調(diào)試的獨特功能 [2]。

本設(shè)計通過Proteus 軟件實現(xiàn)電路圖的繪制，之后結(jié)合Keil 軟件進(jìn)行調(diào)試。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的系統(tǒng)將傳統(tǒng)溫度系數(shù)測定儀常用的模擬式溫度控制改進(jìn)為數(shù)字式溫度控制，不僅實現(xiàn)了對銅絲電阻溫度的實時、有效測量，還能夠根據(jù)用戶設(shè)定的溫度數(shù)值調(diào)節(jié)和控制加熱裝置，使銅絲電阻保持恒溫狀態(tài)。本系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、精度高、可靠性強(qiáng)、靈活性高等特點，應(yīng)用前景廣泛。由于選用的是單片機(jī)芯片，外圍電路可擴(kuò)展，程序也可重新修改燒錄，因此本文系統(tǒng)可以不斷被優(yōu)化。