無論在工業(yè),、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究,、國防和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面,，溫度測量和控制都是極為重要的課題。溫度測量系統(tǒng)在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛,，根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同,，溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有所不同,，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的,。本系統(tǒng)選用PT100鉑熱電阻作為溫度信號采集元件,，來進(jìn)行溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1 基本工作原理
PT100鉑熱電阻的阻值隨著溫度的變化而變化,，利用這一特點(diǎn)來采集溫度信號,，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并由單片機(jī)系統(tǒng)讀??；單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號進(jìn)行識別處理，并換算成與溫度對應(yīng)的數(shù)字信號,，最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值,。
2 硬件設(shè)計(jì)
硬件組成主要包括恒流源電路、電壓放大,、A／D轉(zhuǎn)換接口電路,、光耦隔離電路、液晶顯示電路5個(gè)組成部分,。
2.1 恒流源電路
恒流源電路如圖1所示,。其中芯片OP07為運(yùn)算放大器，它和5個(gè)電阻組成恒流源電路,，在VIN+處輸出1 mA的工作電流,。圖中DGND=5 V，VMC=0 V,，有4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別是NET1,，NET2，NET3,，NET4,。設(shè)流過R110的電流為Ia，流過R114的電流為Ib,，單位為mA,，方向都向右。
則根據(jù)運(yùn)放的虛斷和虛短,，則有方程：
DGND-(R111+R110)×Ia+R114×Ib-R113×((DGND-R111×Ia)／R112)-(VDGND-R111×Ia)=0
代入數(shù)據(jù),，有：
5-(10+1)×Ia+1×Ib-2×((5-10×Ia)／10)-(5-10×Ia)=0
可算得Ia+Ib=1，而Ia+Ib即為所求電流I,，為1 mA,。
根據(jù)方程，可知要得到Ia+Ib為常數(shù)，必須滿足：
R113×R111／R112-R110=R114
所以,，這個(gè)電路成為恒流源的條件是：
R111／R112=(R110+R114)／R113
如果R111=R112則必須R110+R114=R113,，此時(shí)，恒流值為I=DGND×R113／R112／R114,。
其中J110用于連接PT100鉑熱電阻,。
2.2 電壓放大及A／D轉(zhuǎn)換接口電路
PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓很小，如果直接與A／D轉(zhuǎn)換器相連接,，則轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)偏差較大,；所以本設(shè)計(jì)中將PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓放大10倍后與電壓跟隨器相連接，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,，這樣就能得到較好的轉(zhuǎn)換效果,，如圖2所示。精密放大器INA118和電壓基準(zhǔn)芯片MC1403組成放大電路,，VIN+為PT100鉑熱電阻一端輸出的電壓值,；WIN-為基準(zhǔn)電壓源MC1403輸出的電壓值；VOUT為放大后的輸出電壓值,。計(jì)算公式為：VOUT=G×((VIN+)-(VIN-)),，其中G的大小由電阻R120來決定，G=1+50 kΩ／R120,。芯片OPA277與外圍電阻組成電壓跟隨器,。
選用雙積分型3(1／2)位的MC14433芯片A／D轉(zhuǎn)換器(相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù))，MC14433采用動態(tài)掃描BCD碼輸出方式,，即千,、百、十,、個(gè)位BCD碼輪流地在Q0～Q4端輸出,，同時(shí)在DS1～DS4端出現(xiàn)同步字位選通信號。如圖3所示,。
MC1403集成精密+2.5 V電壓源經(jīng)電位器分壓后作為A／D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓,。MC14433的DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式,，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器,。EOC是A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號。單片機(jī)在讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí),，可以采用中斷方式或查詢方式,。為使單片機(jī)能忙于其他任務(wù),，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用中斷方式,。DU端與EOC相連后經(jīng)光耦連至單片機(jī)的INT1端。
在MC14433上電后,，即對外部模擬輸入電壓信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,，由于EOC與DU端相連,，每次轉(zhuǎn)換完畢都有相應(yīng)的BCD碼及相應(yīng)的選通信號出現(xiàn)在Q0～Q4和DS1～DS4上。當(dāng)單片機(jī)開放中斷,，允許INT1中斷申請,，并置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，在執(zhí)行中斷程序后,，每次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),，都將把A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入片內(nèi)RAM中。
電壓信號經(jīng)過MC14433A／D轉(zhuǎn)換后,，再經(jīng)光耦隔離電路傳送給單片機(jī),，單片機(jī)處理后由液晶顯示器輸出溫度值。
2.3 光耦隔離電路
為使輸入信號準(zhǔn)確無誤,，在I／O口擴(kuò)展芯片8255與A／D轉(zhuǎn)換部分采用光耦進(jìn)行隔離,。A／D轉(zhuǎn)換作為模擬量輸人部分，采用獨(dú)立模擬電源和模擬地,。單片機(jī)及I／O口擴(kuò)展芯片8255作為數(shù)字部分采用獨(dú)立數(shù)字電源和數(shù)字地,，減少外部輸入對單片機(jī)的影響。Q0～Q4和DS1～DS4用2片TLP521-4進(jìn)行隔離后連接至擴(kuò)展芯片8255C口上,，電路如圖4所示,。
2.4 單片機(jī)控制與液晶顯示接口電路
本設(shè)計(jì)選用的是128×64點(diǎn)陣的OCMJ4×8C中文液晶圖形顯示模塊。C系列中文模塊可以顯示字母,、數(shù)字符號,、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能,，與傳統(tǒng)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比,，單片機(jī)硬件接口電路以及軟件編程比較簡單，內(nèi)置2 Mb中文字型ROM(CGROM)總共提供8 192個(gè)中文字型,，可節(jié)省大量單片機(jī)設(shè)計(jì)的ROM空間,，可更多地顯示漢字字符的數(shù)量，更加發(fā)揮了液晶顯示技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用,。OCMJ4×8C模塊非常適用于顯示漢字信息量較大的智能儀器儀表系統(tǒng)及家用電器,。可采用8位并列接口傳輸訊號及串行接口與串行傳輸資料2種資料傳輸方式,。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是并列傳輸方式,。單片機(jī)控制與液晶顯示接口電路如圖5所示(J91和J11用于連接液晶顯示器)。
3 軟件設(shè)計(jì)及程序流程圖
軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序,、INT0外部中斷子程序,、液晶顯示子程序。主程序完成對中斷的初始化、等待外部中斷的查詢結(jié)果,、調(diào)用顯示子程序,。INT0外部子程序完成對溫度測量數(shù)據(jù)的讀取。顯示子程序完成液晶顯示器的初始化及顯示溫度值,。程序流程圖如圖6所示,。
在單片機(jī)讀取A／D轉(zhuǎn)換后的BCD碼時(shí)，為了避免讀取不正確數(shù)值,，在軟件編程時(shí)采用對數(shù)據(jù)多次采樣的方法,，即在一定的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)讀取BCD碼,，全部為一樣的數(shù)值時(shí)才作為正確的數(shù)值接收,，否則視為不正確數(shù)值而被忽略，這樣可以有效地保障在顯示器上輸出的溫度值連續(xù)變化,，而不發(fā)生干擾性的跳動,。由于PT100鉑熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的，所以在軟件編程時(shí)進(jìn)行了線性擬合,，阻值(R)與溫度(T)的關(guān)系式為T=2.469R+27.2,，其中電阻R的單位是Ω；T的單位是K,。
4 結(jié) 語
在溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，PT100鉑熱電阻被密封在金屬棒中，這樣使得本溫度測量系統(tǒng)不但可以檢測室內(nèi)的氣體溫度,，還可以檢測土壤,、液體、種子等內(nèi)的溫度,，大大提高了溫度測量系統(tǒng)的適用范圍,，且采用PT100鉑熱電阻為溫度采集元件，可有效地降低開發(fā)成本,。而且在設(shè)計(jì)中所采用的MCl4433A／D轉(zhuǎn)換器,，雖然轉(zhuǎn)換速度慢，但具有抗干擾性能好,、轉(zhuǎn)換精度高,，在不要求高速轉(zhuǎn)換的溫度控制系統(tǒng)中，則被廣泛采用,。A／D轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)控制系統(tǒng)完全采用光耦進(jìn)行隔離,，在降低干擾信號對單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響方面起到重要的作用。另外在設(shè)計(jì)中所采用的OCMJ4×8C液晶顯示器,，其與單片機(jī)硬件連接相當(dāng)簡單,，無需其他外圍器件,，即節(jié)省了元件又使設(shè)計(jì)簡單化。本溫度測量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡單方便,、實(shí)用性好,、電路工作穩(wěn)定,、可靠性高,。