摘要 針對(duì)高溫溫度計(jì)存在體積大、成本高、操作復(fù)雜及實(shí)際測(cè)量依賴電腦而不能獨(dú)立工作等缺點(diǎn)，研究了溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出以STC89C52為核心，基于Pt100溫度傳感器和液晶1602顯示的鉑電阻高溫溫度計(jì)。該溫度計(jì)的測(cè)量范圍從-200～+500℃，精度為1℃。實(shí)驗(yàn)表明，該高溫溫度計(jì)具有測(cè)溫范圍廣、性能穩(wěn)定、工作可靠、擴(kuò)展能力強(qiáng)和可獨(dú)立工作等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 溫度計(jì)；傳感器；液晶顯示；查表法

    在現(xiàn)實(shí)生活中，測(cè)溫裝置形式多樣，但大多數(shù)存在測(cè)溫范圍小的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍受到限制。例如：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、輪船等溫度往往較高，使用一般的溫度計(jì)難以測(cè)量，使用大型的測(cè)溫設(shè)備不但測(cè)量成本高，而且也不易攜帶。文中設(shè)計(jì)了一種便于攜帶，且實(shí)用又能適應(yīng)高溫環(huán)境的高溫溫度計(jì)。
    高溫溫度計(jì)的原理框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)是基于Pt100的高溫溫度計(jì)，Pt100模擬溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行采集，然后把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并處理后，在液晶屏上顯示測(cè)量的溫度值。

1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)
1．1 電源電路
    系統(tǒng)用3節(jié)5號(hào)干電池串聯(lián)，電壓接近4．5 V，剛好滿足設(shè)計(jì)的電源電壓要求。電源處理芯片的選擇方面考慮的重點(diǎn)是效率高、工作電壓低、體積小，經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)比后，選擇了以下電源處理芯片。
    TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf 2．5～36 V范圍內(nèi)的任何值。在本文中用作橋式測(cè)溫電路的參考電壓，還具有多種應(yīng)用，例如：分流校準(zhǔn)器、串聯(lián)校準(zhǔn)器、開(kāi)關(guān)校準(zhǔn)器、電壓參考等。
在T1431與電源引腳間加上一個(gè)100 Ω電阻用于限流，地引腳端直接接地，電壓輸出2．5 V接到橋式測(cè)溫電路作為基準(zhǔn)電壓，注意基準(zhǔn)電壓必須穩(wěn)定，不然會(huì)影響測(cè)溫準(zhǔn)確性。
    LM1117是具有穩(wěn)定的電壓輸出的校準(zhǔn)器，可以輸出穩(wěn)定的1．2 V，1．5 V，1．8 V，2．5 V，2．85 V，3．3 V，5 V等電壓。設(shè)計(jì)中用LM1117穩(wěn)壓至3．3 V為A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器提供穩(wěn)定的電壓保證。在電源和地引腳之間加上電容C4和C5用于去耦濾波。
    Intersil公司生產(chǎn)的ICL7660是提供雙電壓的COMS集成芯片，它在提供正負(fù)電壓方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。ICL7660可以提供+1．5～+10 V和-1．5～-10 V的正負(fù)電壓。ICL7660正輸出電壓Vout+和負(fù)輸出電壓分別接入INA126電源的正負(fù)極。電源模塊的電路原理如圖2所示。

    圖2中VCC5是電源電壓，經(jīng)過(guò)LM1117芯片輸出為3．3 V，為INA126(儀表放大器)、ADS7816和ICL7660供電。經(jīng)過(guò)TL431輸出2．490 V的電壓，為橋式放大電路和ADS7816提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。ICL7660把+3．3 V轉(zhuǎn)換為-3．3 V，為儀表放大器提供負(fù)電壓。因?yàn)閱纹瑱C(jī)和液晶顯示器的工作電壓范圍廣，所以VCC直接和總電源相連。
1．2 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
    因?yàn)镻t100是模擬溫度傳感器，且溫度測(cè)量范圍廣，所以設(shè)計(jì)采用ADS7816，A／D電路圖如圖3所示。管腳VREF接橋式測(cè)溫電路的基準(zhǔn)電壓，管腳+IN信號(hào)數(shù)據(jù)輸入口接INA126運(yùn)放的輸出端，-IN、GND管腳分別接地。管腳CS片選端接單片機(jī)的P1.6口，低電平有效，當(dāng)P1.6口置低電平時(shí)A／D選通，開(kāi)始工作。管腳Dout信號(hào)數(shù)據(jù)輸出口接單片機(jī)的P1.5口，用于讀取A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。管腳LOCK時(shí)鐘信號(hào)口接單片機(jī)的P1.4口，單片機(jī)P1.4口提供A／D連續(xù)時(shí)鐘脈沖，保證A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取的正常。管腳VCC接經(jīng)LM1117穩(wěn)定后的輸出電壓3．3 V。設(shè)計(jì)采用STC公司的89C52單片機(jī)作為核心，在系統(tǒng)中用89C52單片機(jī)來(lái)讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并處理，然后控制液晶顯示，是設(shè)計(jì)中所有器件的核心模塊。
    單片機(jī)與A／D連接電路圖如圖3所示。

1．3 顯示模塊
    基于液晶1602顯示內(nèi)容豐富，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，選用液晶1602作為顯示模塊。液晶的第1管腳是接地管腳，管腳VCC接電源，液晶的管腳VL外接電源串聯(lián)一個(gè)10 kΩ的電位器后接地，用來(lái)調(diào)節(jié)液晶的亮度對(duì)比度，使其顯示清楚、準(zhǔn)確。管腳RS接單片機(jī)的P1.0口。管腳RW接單片機(jī)P1.1。管腳EN接單片機(jī)P1.2口，是液晶的使能管腳。液晶的數(shù)據(jù)口(7～14管腳)接單片機(jī)的P0.0～P0.7口，液晶的數(shù)據(jù)口采用8位并口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。第15，16管腳是液晶背光燈的正負(fù)極，分別接VCC和GND即可。液晶連接電路圖如圖4所示。

1．4 Pt100測(cè)溫電路
    系統(tǒng)的測(cè)溫模塊由兩個(gè)1 kΩ電阻，一個(gè)電位器和Pt100組成橋式測(cè)溫電路。橋式測(cè)溫原理如圖5所示。

    電橋的輸入電壓通過(guò)TL431穩(wěn)壓至2．5 V，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到電橋?qū)嶋H輸入電壓為2．49 V。電橋的4個(gè)橋臂中的一個(gè)橋臂采用電位器，因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)解電位器可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，設(shè)計(jì)中用此電位器來(lái)調(diào)整零點(diǎn)。
    Pt100數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦使用LM358芯片放大差分信號(hào)，由于LM1117提供給運(yùn)放的電壓只有3．3 V，供電電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放工作不正常，電壓放大倍數(shù)和理論計(jì)算的放大倍數(shù)誤差很大，這樣直接導(dǎo)致放大倍數(shù)不穩(wěn)定，影響測(cè)溫精確度。經(jīng)過(guò)比較選擇發(fā)現(xiàn)INA126精密儀器儀放大器，具有高精度，低噪聲差分信號(hào)采集的優(yōu)點(diǎn)，它的兩個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)提供卓越性能具有非常低的靜態(tài)電流(175 mA／chan)，結(jié)合寬工作電壓范圍±1．35～±18 V的，使其成為高性能的運(yùn)算放大器。所以改用INA126作為運(yùn)算放大器，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)穩(wěn)定。系統(tǒng)中放大倍數(shù)約等于6．27倍。由于INA126需要雙電源供電，所以使用ICL7660進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，這樣可以輕松得到負(fù)電壓對(duì)INA126進(jìn)行雙電源供電。通過(guò)INA126對(duì)電橋信號(hào)進(jìn)行差分放大。橋式差分放大電路圖如圖6所示。

    對(duì)電位器R6進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整可以得到U_=50．012 mV。INA126對(duì)U+和U_進(jìn)行差分放大，放大后電壓U0=F×(U+-U_)，F(xiàn)是電壓放大倍數(shù)，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到F=6．27。所以
   
   
    這樣得到Pt100的電阻值與經(jīng)過(guò)INA126放大后的電壓關(guān)系，把U0送入A／D，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)算出Pt100的電阻值，然后查表，查到的電阻值與表中的相近時(shí)，得出此時(shí)的溫度值，然后送出數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示。

2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件包括溫度采集部分、A／D轉(zhuǎn)換模塊，接收結(jié)果處理顯示部分。整個(gè)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。
    設(shè)計(jì)采用Pt100模擬溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)通電后，Pt100由于溫度變化，引起電阻發(fā)生變化，進(jìn)而橋式測(cè)溫電路的電壓值發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)差分放大、A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)始終等待A／D轉(zhuǎn)換值的到來(lái)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)只需要測(cè)量溫度，所以沒(méi)有采樣周期，讀取A／D值的程序放入無(wú)限循環(huán)中。在設(shè)計(jì)中，由于Pt100的電阻值和溫度不成線性關(guān)系，所以設(shè)計(jì)用Matlab擬合函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)電阻值一溫度對(duì)應(yīng)表格，查表得到溫度值。程序開(kāi)始后，先對(duì)液晶屏、A／D進(jìn)行初始化處理，然后確定液晶屏在空閑狀態(tài)，調(diào)用液晶寫(xiě)地址指令函數(shù)，使液晶屏分兩行顯示，接著調(diào)用液晶寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)在第1行寫(xiě)入溫度計(jì)的英文Thermometer，第2行寫(xiě)入查表得到的溫度值。
    A／D模塊，首先對(duì)A／D初始化，然后把A／D的CS管腳、時(shí)鐘脈沖CLK拉至高電平，接著把CS拉至低電平開(kāi)始采樣。在寫(xiě)程序的時(shí)候要注意先發(fā)送給A／D兩個(gè)下降沿脈沖，然后才開(kāi)始采樣數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，如果直接進(jìn)行采樣，會(huì)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)誤差很大。采樣完成后給CS管腳拉至高電平，停止采樣，返回?cái)?shù)值。接著進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的采樣。主程序流程圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試
    液晶模塊的硬件電路接好后，接通電源，調(diào)節(jié)與LCD連接的電位器，使液晶顯示亮度適中，顯示結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相同，液晶模塊測(cè)試正常。開(kāi)啟電源，Pt100開(kāi)始測(cè)溫，利用水銀溫度計(jì)做參考，計(jì)算Pt100溫度測(cè)量誤差。Pt100溫度測(cè)量結(jié)果如表1所示。

    由于設(shè)計(jì)的溫度計(jì)精度只有1℃，所以小數(shù)點(diǎn)后的溫度值都為0，經(jīng)過(guò)測(cè)試計(jì)算，溫度測(cè)量的平均誤差為2．5％。

4 結(jié)束語(yǔ)
    在程序模塊，開(kāi)始沒(méi)有利用查表法，直接用公式進(jìn)行計(jì)算，誤差較大。經(jīng)過(guò)不斷地修改，發(fā)現(xiàn)查表法很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，在系統(tǒng)的大范圍測(cè)溫中，這個(gè)誤差在高溫環(huán)境下影響不大。系統(tǒng)可以用于高溫環(huán)境中，測(cè)溫準(zhǔn)確、操作方便、成本低廉，有較高的實(shí)用性。還可以經(jīng)過(guò)改善做成無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，成為遠(yuǎn)距離測(cè)溫控制系統(tǒng)。