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1、智能温度测量与显示仪设计摘要 近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统检测技术不断地更新。随着工业化进程的不断加剧，温度作为一个不可或缺的重要参数，在社会各个领域都显得尤为重要，且要求温度检测越来越精确化和智能化。单片机往往是作为温度检测仪的一个核心部件来使用。本文将通过介绍一种温度测量仪表的软硬件设计，来介绍智能测温及显示仪表的结构，PIC单片机在智能测温及显示仪表设计中的外围电路构成，以及软件设计的一般思路。关键词 单片机，温度测量，温度显示，硬件设计，软件设计1 绪论近年来随着科学技术的进步，特别是冶金，化学工业的飞速发展及原子能，火箭超导等新技术
2、的发展，对温度计量提出了越来越高的要求，个各工业发达国家的计量机构，有关企业都把测量温度技术当着重要的研究课题。温度是工农业、医学、科研、国防工业等部门极为重要的一个参数。温度测量点一般占生产流程全部测量点的一半左右。故国外一些计量机构会重视流程中一般情况下的测温技术。目前测温技术的发展趋势一方面是改进探测元件的结构，另一方面是使二次仪表在的及时完善化，特别是探测元件的微型化，改进其动态特性，提高二次仪表的灵敏度及可靠性及测量值的数字化。2 国内外测温状况2.1 温度检测仪的分类随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以
3、 下几种方法2.1.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计利用此原理制成的温度计大致分成三大类:(1) 玻璃温度计， 它是利用玻璃感温包内的测温物质( 水银、 酒精、甲 苯、煤、油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的；(2) 双金属温度计， 它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由 端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度；(3) 压力式温度计，它是由感温物质( 氮气、 水银、 二甲苯、甲苯、 甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压
4、力值，经换算得出被测物质的温度值。2.1.2 利用热电效应技术制成的温度检侧元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。 热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种: (1) 镍铬-镍硅，型号为 WRN，分度号为 K,测温范围0900，短期可测1200。 (2) 镍铬-康铜，型号为 WRK，分度号为 F,测温范围0600, 短期可测800。 (3) 铂锗-铂，型号为 WRP，分度号为 S ，在1300以下的温度可长期使用，短期可测1600 . (4) 铂-铂， 型号为 W77 ，分度号为
5、B , 测温范菌3001600 , 短期可测1800。 其他还有非常用的热电偶。2.2正在研究的温度检测技术 近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，己取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。2.2.1 晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级， 二级管和三极管的PN结电压、 电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。2.2.2 集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系 ( 即半导体PN结的温度特性)进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大
6、电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。2.2.3 核磁共振温度检测器 所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器， 称为核磁共振温度检测器。 这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。2.24热噪声温度检测器 (a) 输出噪声电压大小与温度是比例关系；(b) 不受压力影响； (c) 感温元件的阻值几乎不影响测量
7、精确度；所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。3 智能温度测量及显示仪的硬件设计3.1 系统功能说明 该装置完成对0100的温度测量，将温度值用数码管显示出来，并可通过按键设定上下限报警值。整个装置可分为温度检测、A/D转换、显示与报警、报警值的设定与修改4个部分，现将每部分功能说明如下： (1)温度检测：通过温度敏感元件将温度信号转化为随温度高低近似线形变化的电信号，然后经转换电路将其放大整形，输出能够为PIC单片机所接收的0v5v标推信号。 (2)AD转换：将上一步的标准电信号经A/D采样采入单片机，进行转换。 (3)显示与报警：将处理完毕的温度值用4个数码管
8、显示出来，其中第一个数码管一般情况下显示“0”，修改上限和下限时分别显示“H”和“L”；后3个数码管显示当前温度值。当温度超出设定的上限或低于下限值时，分别点亮上限报警灯LED0或下限报警灯LEDl。(4)报警值的设置与修改：K1键按下修改上限，K2键按下修改下限，KI键或K2键再次按下时表示确定，使修改后的上、下限值生效并返回到正常显示状态；K3键每按一次，十位数加1，按住不放被认为连击，即十位数连续加1；K4键对应个位数的操作，功能与K3键相似；若持续15秒时间没有键按下，则系统自动返回工作状态(即温度显示状态)，且本次修改值无效。同时，加入适当的处理措施，确保设定上、下限值时，上限值不低
9、于下限值。32 工作原理及实现方法 本节将介绍温度检测环节的硬件设计，标度变换的软件算法,数码管显示驱动芯片MAX7219的使用及其与PIC单片机的接口方法。3.2.1 温度检测及数据采集 在P1C16F877单片机内部集成了8路10位精度的A/D转换通道,无需外接附加的A/D转换芯片，使用十分方便。设定RA0为模拟量输入口，其输入电压范围为OV一5V，于是问题就转化为如何将0100的温度信号转换成0V5V的电压信号了。温度检测电路如图3.1所示，考虑转换电路的线性特性，则只需当温度为0时，调节电位器VR1使V5的值为0V；温度为100时，调节电位器VR2使V5的值为5V也即是电路的零点调节和
10、满度调节问题。下面具体介绍如何实现这一功能。温度检测的方法很多，有热电偶、热敏电阻、热电阻、辐射式测温等形式，本文采用铂热电阻Pt10作为温度敏感元件。Pt10具有高精度特性，阻比(温度为100时的阻值与0时的阻值之比)为1.385，误差0.001。通过恒流源对铂热电阻Pt10和电位器VRl提供恒定电流，A1为一单元放大器，A2将V1放大2倍；A3、A4、A5组成差压放大器，其增益大小可通过电位器VR2来调节，其输入输出关系可以用如下公式来表示： V5(1+50k/VR2)(V3-V4) (3-1)将V3V1； V4=2V2代入上式，可得： V5(1+50k/VR2)(V1-2V2) (3-2
11、)从图3.1中可以看出：Ptl0两端电压为V1-V2，VR1两端电压为V2。当温度为0时，调节电位器VRl，使其阻值大小与Pt10相等，显然，此时Pt10两端电压与VRl两端电压相等，即： V1-V2V2 (3-3)那么，此时v5输出为0V，电路的零点调节就完成了。保持上一步的VRl值不变，当温度为100时，调节电位器VR2，从而改变差压放大器增益大小，直至V5输出为5V是，电路的满度调节就完成了。图3.1就是温度测量及放大整形电路，电压输出端V5接至单片机的RA0口。图3.1 温度测量电路原理图3.2.2 标度变换 PIC16F877的A/D转换为10位精度，其转换结果范围为01023。因为
12、要显示的温度范围是0lOD，故要用标度变换将01023的值转换到0100的值(注:均用十六进制表示)。实现步骤如下： (1)去尾：考虑到本设计温度值只显示到个位，精度要求不高，可将10位A/D转换结果的低两位忽略，即只读取寄存器ADDRESH中的8位数据。(2)移位最加：经过去尾处理，标度变换就简化为0255到0100的转换问题。很简单，只需将0255的数值除以2.55即可完成线形变换。然而，该单片机没有乘法和除法指令，但是可用左移位或右移位来表示乘2或除2。那么，除以255就可用如下计算方法来实现： (3-4)该除法可将被除数N分别右移2、3、6位，然后叠加来实现。详细过程见标度变换子程序硫
13、殿因(图4.6)。4 温度测量及显示仪系统软件设计在谅系统的软件编制上，采用了模块化的编程思想，结构清晰，便于修改。主程序主要是对按键的分析处理，根据情况调用相应的子程序。子程序共有9个，分别为：初始化程序(完成PIC16F877和MAX7219的初始化)、报警上限值修改子程序、报警下限值修改于程序、10ms延时子程序、30ms延时子程序、15s定时子程序、A/D采样子程序、标度变换子程序、数码管显示子程序。下面给出了几个主要的程序流程图。4.1 主程序流程图在主程序中，首先进行寄存器定义，调用初始化程序完成对门C1硼77和MAJC7219的初始化，然后判断K1镶和蹬镶的状态，没有按下时直接显
14、示当前温度值，否则进入上下限报警值修改子程序。详细情况如图4.1所示。主程序初始化延时10ms修改报警上限值A/D采样点亮上限报警灯调用数码管显示程序延时10ms修改报警下限值标度变换熄灭上下限报警灯调用数码管显示程序点亮上限报警灯报警灯点亮下限报警灯K1是否按下K1是否按下温度是100吗K2是否按下K2是否按下温度高于上限值吗温度低于下限值吗NNNNYNYNNNNYNYNYN图4.1 主程序流程图4.2 数码瞥显示子程序完成PIC16F877和7219之间的通信，通信时序参见图4.2，显示子程序流程图如图4.3所示。图4.2 显示子程序流程图6 结论本文所介绍的温度检测及信号调理电路有很强的通用性，在一般的传感器电路以及与单片机接口电路中经常用到。主要介绍了串行显示驱动芯片7219驱动数码管方式以及标度变换和软件模拟串行口。由于PIC单片机无乘除法指令，所以介绍了一种相似的方法来完成带小数的除法功能，通过移位的方法来具体实现。参 考 文 献1 PIC单片机应用系统开发典型实例/罗翼，张宏伟编著.北京：中国电力出版社，2005 ISBN 7-5083-3143-5.2 工业用铂电
