【關(guān)鍵詞】測(cè)溫儀表
【摘要】一種新型智能測(cè)溫儀表的實(shí)現(xiàn)
1. 引言
　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，80年代以前，我國對(duì)溫度的測(cè)量顯示大多使用動(dòng)圈式儀表。這類儀表由于分辨率低，抗震性差以及存在視差和讀數(shù)誤差等缺點(diǎn)往往不能勝任對(duì)溫度測(cè)量要求準(zhǔn)確的場(chǎng)合，80年代起逐漸采用3 －1/2位A/D轉(zhuǎn)換器為核心部件來制造測(cè)量?jī)x表，并至今活躍在我國各工業(yè)生產(chǎn)部門中，但由于ICL7107測(cè)溫儀表報(bào)警電路復(fù)雜、通用性差等固有缺陷，近年來人們采用單片機(jī)來構(gòu)成測(cè)溫儀表，我們研制的JSW型智能測(cè)溫儀表就是其中的一員。
2. JSW型智能溫度表的技術(shù)特點(diǎn)
　　隨著單片機(jī)的問世和商品化，利用它來制造性價(jià)比更高的測(cè)溫儀表具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：
　　●從硬件角度上講應(yīng)該使該儀表不僅能與熱電阻配用而且也能與熱電偶配用，為用戶減少了備用表數(shù)，從而帶來直接效益。
　　●與熱電阻配用時(shí)，不僅適用于三線制也能適用于二線制。
　　●與熱電耦配用時(shí)，不僅適用于對(duì)熱電偶冷端自動(dòng)溫度補(bǔ)償，而且還能作自身零點(diǎn)校準(zhǔn)。
　　●對(duì)放大器作校零處理，使儀表整機(jī)性能更加穩(wěn)定。
　　●利用單片機(jī)的運(yùn)算功能對(duì)熱電阻、熱電偶的非線性作更精確的校正。
　　●利用單片機(jī)的位操作功能，控制報(bào)警十分方便。
　　根據(jù)上述構(gòu)想設(shè)計(jì)的JSW型智能溫度表的硬件電路及邏輯框圖如圖1所示。

    從圖中可見，當(dāng)8031的P1.1為高電平時(shí)，模擬開關(guān)接入熱電阻測(cè)量支路，當(dāng)P1.1為低電平時(shí)，開關(guān)接入熱電偶支路，這樣在不增加任何硬件的情況下就能實(shí)現(xiàn)熱電阻/熱電偶在一塊表上的統(tǒng)一。
　　當(dāng)P1.2也發(fā)出高電平時(shí)放大器A2被接地，令80C31讀入A/D轉(zhuǎn)換器的值和極性，并且存入某個(gè)RAM中，再令P1.2發(fā)出低電平，使放大器接入熱電偶電勢(shì)，再令8031讀入A/D值和極性并令本次結(jié)果和上次結(jié)果相減，就可以克服放大器的漂移，這樣，不用昂貴的高性能放大器，同樣可以收到高精度測(cè)量結(jié)果。
　　當(dāng)需要進(jìn)行熱電偶冷端溫度補(bǔ)償時(shí)，此儀表分別工作在熱偶，熱阻交替狀態(tài)。
　　當(dāng)測(cè)量結(jié)果判為有報(bào)警時(shí)，用P1.6、P1.7置位或復(fù)位即可，該報(bào)警電路相當(dāng)簡(jiǎn)單。
　　當(dāng)用戶需要不同分度號(hào)傳感器時(shí)，只要更換軟件就可以了。
3. JSW型智能測(cè)溫儀表設(shè)計(jì)的若干問題
3.1 R2電阻的選取
　　用熱電阻測(cè)溫時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器ICL 7109的基準(zhǔn)電壓取自R2=200Ω上的壓降，被測(cè)電壓從Rt上獲得，R1選擇1kΩ，使用1403是為了限制流經(jīng)Rt上的電流，使其不要超過5mA，因?yàn)殡娏鬟^大Rt自身發(fā)熱會(huì)帶來測(cè)量誤差，另一方面若不加R1，ICL 7109的基準(zhǔn)電壓高端就會(huì)與5V電源相等，這樣會(huì)使ICL 7109工作不正常，因此，R1的加入是必要的，R2上的電壓作為A/D的基準(zhǔn)電壓，它們的大小確定原則是基于下述考慮：
　　我國現(xiàn)行使用的熱電阻傳感器新舊分度號(hào)共有六種：即Cu50、Cu53、Cu100、BA1、BA2、Pt100。它們?cè)诹銣囟葧r(shí)的起始值分別為50Ω、53Ω、100Ω、45Ω、100Ω、100Ω，而在上限溫度時(shí)Pt100、BA2的最大阻值已達(dá)310Ω，根據(jù)ICL 7109的轉(zhuǎn)換特性：
　　N=2048VX/VR(1)
　　可以推演出電阻的轉(zhuǎn)換公式
　　N=2048(IRt/IR2)=2048Rt/R2(2)
　　所以，R2=200Ω確定后，當(dāng)Pt100在600℃時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換值不致溢出，而對(duì)于BA1和Cu50來說，A/D轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制碼又大于被測(cè)溫度所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼，這樣便需要進(jìn)行非線性校正。
　　由于用R2上的電壓作為A/D基準(zhǔn)，所以它的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性直接關(guān)系到儀表的精度，因此R2應(yīng)當(dāng)選用精度為±0.1％的線繞電阻。
3.2 熱電阻斷線時(shí)假報(bào)警的防止
　　當(dāng)熱電阻斷線時(shí)，A點(diǎn)電位就會(huì)上升至電源電壓，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生溢出，利用溢出標(biāo)志，8031除了調(diào)OFF字符向8255A顯示外，并利用P1.6和P1.2置位，從而使繼電器不吸合，這就消除了假報(bào)警問題，在模擬電路中要做到這一點(diǎn)比較麻煩，用片機(jī)的位功能就極大地簡(jiǎn)化了報(bào)警電路，不僅如此，位于面板上的報(bào)警燈單獨(dú)用程序控制，例如上限燈是8255A的高7位，下限燈用B口的高7位控制，這樣，就可選用單觸點(diǎn)型繼電器，本例中選用JZX－2F。它們價(jià)格通常在2～3元/只，而在模擬電路中，要使面板上的報(bào)警燈和繼電器輸出的接點(diǎn)位號(hào)同步，則必須選用雙觸點(diǎn)繼電器，它們的價(jià)格在10～20元/只，因此，在本儀表中報(bào)警部件的造價(jià)是較少的，不僅如此，其控制方式亦很靈活，在與熱電阻配套使用時(shí)，對(duì)儀表的報(bào)警方式通常分為高/低限報(bào)警和雙上限報(bào)警兩種方式。
　　在模擬電路構(gòu)成的報(bào)警電路中，要將低限報(bào)警改變?yōu)殡p上限報(bào)警并不是可以輕易做到的，而在單片機(jī)構(gòu)成的儀表中，只要將位控信號(hào)取出即可。
4. 熱電偶測(cè)溫
　　當(dāng)8031的P1.1發(fā)出低電平時(shí)，四個(gè)2選1開關(guān)轉(zhuǎn)向熱電偶測(cè)量支路，此A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓由MC1403提供，其值為2.5V，信號(hào)電壓取自放大器A2的輸出。
4.1 放大器放大倍數(shù)的確定
　　目前我國工業(yè)部門中大多使用EU－2、EA－2和K、E四種分度號(hào)熱電耦，它們的電勢(shì)在40μV～60μV／℃之間，因此必須將它們放大，才能與MC1403兼容，本表放大倍數(shù)Kf2=1＋R6/R7=51倍。
　　為了使放大倍數(shù)穩(wěn)定，放大器采用同型輸入、輸出，這樣輸入阻抗很高，通?？蛇_(dá)10MΩ，放大倍數(shù)由下式計(jì)算：
　　Kf2=1＋(R6/R7)
　　另外，選用51倍放大的原因是考慮到ICL7109，ICL7109的轉(zhuǎn)換公式如下
　　N1=2048(VX/VR)=2048(51rt1/2500mV)
　　我國熱偶上限的電勢(shì)值為49mV，為保證ICL 7109數(shù)據(jù)精度和不致溢出，故選用51倍為其放大倍數(shù)。
4.2 放大器自動(dòng)校零
　　8031的P1.2同時(shí)控制著兩個(gè)2選1模擬開關(guān)1A和1B，當(dāng)P1.2為高電平時(shí)，放大器輸入接地，放大器的輸出反映了正失調(diào)電壓的大小和極性。8031這時(shí)讀入A/D轉(zhuǎn)換值為放大器失調(diào)電壓的數(shù)據(jù)，假設(shè)本次讀入值(A/D)0暫存某單元后再令P1.2為低電平，8031再讀入A/D轉(zhuǎn)換值，令其為(A/D)1，它包含了熱電偶的放大數(shù)值和放大失調(diào)電壓數(shù)值(A/D)1－(A/D)0=(A/D)2,此時(shí)(A/D)2的結(jié)果，只反映熱電偶電熱的大小，因此，有必要加入放大器自動(dòng)校零。因?yàn)榉糯笃鞯氖д{(diào)電壓是隨機(jī)的，而且它受時(shí)間和溫度的影響極大，試驗(yàn)表明，當(dāng)不加校零時(shí)，如果將儀表的環(huán)境溫度從20℃升至50℃，儀表零點(diǎn)變化可能有十幾度，性能差的放大器變化會(huì)更大，顯然這樣的儀表不能使用，所以在模擬電路中通常選用高性能放大器來放大熱電偶信號(hào)，自然它們的價(jià)格也比較昂貴。
　　加入放大器自動(dòng)校零功能給儀表做同樣的變溫試驗(yàn)，它的零點(diǎn)幾乎不變，而且長時(shí)間通電，零點(diǎn)也十分穩(wěn)定，這樣在不選用高價(jià)放大器時(shí)，同樣可以收到高價(jià)放大器的效果。
　　校零分為四種情況：
　　●(A/D)1－(A/D)0　夠減極性為正；
　　●(A/D)1－[－(A/D)0])　相加極性為正；
　　●[－(A/D)1]－(A/D)0　相加極性為負(fù)；
　　●[－(A/D)1]－[－(A/D)0]　夠減為負(fù)時(shí)則取補(bǔ)。
4.3 模擬開關(guān)1B的作用
　　從對(duì)放大器A2的校零角度來講，2選1開關(guān)1B可以不要，但是從儀表的實(shí)際使用角度來講，它又是必需的。假如儀表到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，并顯示正常溫度。如果萬一發(fā)生熱電偶斷線，則電容C1、C2的電荷將慢慢地發(fā)生變化造成儀表顯示值緩慢的變化，這種現(xiàn)象叫做爬行現(xiàn)象，當(dāng)爬行速度與現(xiàn)場(chǎng)溫度變化相近時(shí)很容易給操作人員以假象而造成測(cè)量失準(zhǔn)。加入1B以后，只要一次校零，就能使C1、C2上的電荷放掉，從而使儀表顯示值全部拉到零點(diǎn)，操作人員據(jù)此來判斷測(cè)量系統(tǒng)是否發(fā)生故障。
4.4 熱偶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償
　　熱電偶發(fā)出的電熱不僅與工作端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)，而且熱電偶用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)，其冷端是置于環(huán)境溫度中，因此如果熱電偶冷端不做處理，即使被測(cè)介質(zhì)溫度不變，那么也會(huì)因?yàn)闊崤祭涠藴囟茸兓箖x表顯示值變化，以往通常是用銅電阻配置在四端電橋中，用電橋的輸出電勢(shì)來抵消熱電偶冷端隨環(huán)境溫度變化帶來的影響。
　　在本儀表中由于熱電偶、熱電阻是可以交替工作的。當(dāng)需要儀表進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，8031的P1.1輸出高電平，使其工作在電阻測(cè)溫狀態(tài)，這時(shí)測(cè)溫電阻接在儀表端，與熱電偶冷端處于同一環(huán)境溫度中，將其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)度變換所得到的二進(jìn)制碼用于補(bǔ)償熱偶冷端溫度變化值。
　　原則上講，補(bǔ)償電阻可以用上述6種分度號(hào)的任何一種分度號(hào)，而Cu50是最經(jīng)濟(jì)的元件。
　　補(bǔ)償?shù)囊话阈问綖椋?
　　熱偶轉(zhuǎn)換值Net＋補(bǔ)償值N2·K
　　這里仍然分為四種情況：
　　a.正Net＋正N2K
　　b.正Net＋負(fù)N2K
　　c.負(fù)Net＋正N2K
　　d.負(fù)Net＋負(fù)N2K
4.5 量程修正
　　在儀表與熱電偶配用時(shí)，由于基準(zhǔn)源MC1403的穩(wěn)壓值有離散性，因而使儀表測(cè)量顯示值也有離散性，所以，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)范圍的修正是必要的。在模擬電路中常用電位器來調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的電壓以保證儀表性能的一致性，這種方法會(huì)因?yàn)殡娢黄魇苷穸a(chǎn)生漂移或電位器滑動(dòng)而不能測(cè)量，本例是利用程序來修正結(jié)果的，本表底板上安裝了一個(gè)四聯(lián)開關(guān)，開關(guān)序號(hào)1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)8031的P1.3、P1.4、P1.5、P3.0。8031在每次測(cè)量時(shí)要查詢這些引腳有無閉合，均不閉合時(shí)，儀表測(cè)量程序化，開關(guān)序號(hào)越大，量程校正也越大，這樣可以根據(jù)儀表量程的離散程度，來決定選擇哪一個(gè)開關(guān)閉合，8031查詢開關(guān)閉合的順序是“1”到“4”。因此，任何時(shí)候，只能有一個(gè)開關(guān)閉合，若有兩個(gè)以上開關(guān)閉合，修正按最小序號(hào)開關(guān)進(jìn)行修正。
4.6 看門狗程序的引入
　　為了防止儀表受干擾而使程序丟失，甚至走進(jìn)死循環(huán)而使儀表死機(jī)，應(yīng)加入看門狗程序，以保證系統(tǒng)的可靠性。
　　不論儀表程序處于怎樣的死循環(huán)，8031的內(nèi)部定時(shí)中斷總是能夠發(fā)生的，利用這一特性，就可以強(qiáng)行把程序從死循環(huán)中解脫出來。
　　在本儀表中，利用內(nèi)部定時(shí)器來產(chǎn)生中斷，在中斷程序中故意彈出中斷地址而按新的中斷地址，一旦發(fā)生死循環(huán)，只要定時(shí)中斷一產(chǎn)生，就會(huì)強(qiáng)行使程序回到定時(shí)中斷的首地址。其程序如下：
　　EDO： DJNZ R3 ZDOO
　　　　 MOV R3 ＃10H 定進(jìn)時(shí)間
　　　　　POP 33H 彈出斷點(diǎn)
　　　　　POP 33H
　　　　　MOV A，＃23H 壓入新斷點(diǎn)
　　　　　PUSH ACC
　　　　　MOV A，＃00H
　　　　　PUSH ACC
　　ZDOO：MOV 8AH ＃00H
　　　　　MOV 8CH ＃00H
　　　　　RETF