【關鍵詞】測溫儀表
【摘要】一種新型智能測溫儀表的實現
1. 引言
　　溫度是工業生產中的重要參數，80年代以前，我國對溫度的測量顯示大多使用動圈式儀表。這類儀表由于分辨率低，抗震性差以及存在視差和讀數誤差等缺點往往不能勝任對溫度測量要求準確的場合，80年代起逐漸采用3 －1/2位A/D轉換器為核心部件來制造測量儀表，并至今活躍在我國各工業生產部門中，但由于ICL7107測溫儀表報警電路復雜、通用性差等固有缺陷，近年來人們采用單片機來構成測溫儀表，我們研制的JSW型智能測溫儀表就是其中的一員。
2. JSW型智能溫度表的技術特點
　　隨著單片機的問世和商品化，利用它來制造性價比更高的測溫儀表具有如下明顯優勢：
　　●從硬件角度上講應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，從而帶來直接效益。
　　●與熱電阻配用時，不僅適用于三線制也能適用于二線制。
　　●與熱電耦配用時，不僅適用于對熱電偶冷端自動溫度補償，而且還能作自身零點校準。
　　●對放大器作校零處理，使儀表整機性能更加穩定。
　　●利用單片機的運算功能對熱電阻、熱電偶的非線性作更精確的校正。
　　●利用單片機的位操作功能，控制報警十分方便。
　　根據上述構想設計的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8031的P1.1為高電平時，模擬開關接入熱電阻測量支路，當P1.1為低電平時，開關接入熱電偶支路，這樣在不增加任何硬件的情況下就能實現熱電阻/熱電偶在一塊表上的統一。
　　當P1.2也發出高電平時放大器A2被接地，令80C31讀入A/D轉換器的值和極性，并且存入某個RAM中，再令P1.2發出低電平，使放大器接入熱電偶電勢，再令8031讀入A/D值和極性并令本次結果和上次結果相減，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量結果。
　　當需要進行熱電偶冷端溫度補償時，此儀表分別工作在熱偶，熱阻交替狀態。
　　當測量結果判為有報警時，用P1.6、P1.7置位或復位即可，該報警電路相當簡單。
　　當用戶需要不同分度號傳感器時，只要更換軟件就可以了。
3. JSW型智能測溫儀表設計的若干問題
3.1 R2電阻的選取
　　用熱電阻測溫時，A/D轉換器ICL 7109的基準電壓取自R2=200Ω上的壓降，被測電壓從Rt上獲得，R1選擇1kΩ，使用1403是為了限制流經Rt上的電流，使其不要超過5mA，因為電流過大Rt自身發熱會帶來測量誤差，另一方面若不加R1，ICL 7109的基準電壓高端就會與5V電源相等，這樣會使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的基準電壓，它們的大小確定原則是基于下述考慮：
　　我國現行使用的熱電阻傳感器新舊分度號共有六種：即Cu50、Cu53、Cu100、BA1、BA2、Pt100。它們在零溫度時的起始值分別為50Ω、53Ω、100Ω、45Ω、100Ω、100Ω，而在上限溫度時Pt100、BA2的最大阻值已達310Ω，根據ICL 7109的轉換特性：
　　N=2048VX/VR(1)
　　可以推演出電阻的轉換公式
　　N=2048(IRt/IR2)=2048Rt/R2(2)
　　所以，R2=200Ω確定后，當Pt100在600℃時，A/D轉換值不致溢出，而對于BA1和Cu50來說，A/D轉換的二進制碼又大于被測溫度所對應的二進制碼，這樣便需要進行非線性校正。
　　由于用R2上的電壓作為A/D基準，所以它的準確性以及穩定性直接關系到儀表的精度，因此R2應當選用精度為±0.1％的線繞電阻。
3.2 熱電阻斷線時假報警的防止
　　當熱電阻斷線時，A點電位就會上升至電源電壓，A/D轉換器會產生溢出，利用溢出標志，8031除了調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，這就消除了假報警問題，在模擬電路中要做到這一點比較麻煩，用片機的位功能就極大地簡化了報警電路，不僅如此，位于面板上的報警燈單獨用程序控制，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，就可選用單觸點型繼電器，本例中選用JZX－2F。它們價格通常在2～3元/只，而在模擬電路中，要使面板上的報警燈和繼電器輸出的接點位號同步，則必須選用雙觸點繼電器，它們的價格在10～20元/只，因此，在本儀表中報警部件的造價是較少的，不僅如此，其控制方式亦很靈活，在與熱電阻配套使用時，對儀表的報警方式通常分為高/低限報警和雙上限報警兩種方式。
　　在模擬電路構成的報警電路中，要將低限報警改變為雙上限報警并不是可以輕易做到的，而在單片機構成的儀表中，只要將位控信號取出即可。
4. 熱電偶測溫
　　當8031的P1.1發出低電平時，四個2選1開關轉向熱電偶測量支路，此A/D轉換的基準電壓由MC1403提供，其值為2.5V，信號電壓取自放大器A2的輸出。
4.1 放大器放大倍數的確定
　　目前我國工業部門中大多使用EU－2、EA－2和K、E四種分度號熱電耦，它們的電勢在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Kf2=1＋R6/R7=51倍。
　　為了使放大倍數穩定，放大器采用同型輸入、輸出，這樣輸入阻抗很高，通常可達10MΩ，放大倍數由下式計算：
　　Kf2=1＋(R6/R7)
　　另外，選用51倍放大的原因是考慮到ICL7109，ICL7109的轉換公式如下
　　N1=2048(VX/VR)=2048(51rt1/2500mV)
　　我國熱偶上限的電勢值為49mV，為保證ICL 7109數據精度和不致溢出，故選用51倍為其放大倍數。
4.2 放大器自動校零
　　8031的P1.2同時控制著兩個2選1模擬開關1A和1B，當P1.2為高電平時，放大器輸入接地，放大器的輸出反映了正失調電壓的大小和極性。8031這時讀入A/D轉換值為放大器失調電壓的數據，假設本次讀入值(A/D)0暫存某單元后再令P1.2為低電平，8031再讀入A/D轉換值，令其為(A/D)1，它包含了熱電偶的放大數值和放大失調電壓數值(A/D)1－(A/D)0=(A/D)2,此時(A/D)2的結果，只反映熱電偶電熱的大小，因此，有必要加入放大器自動校零。因為放大器的失調電壓是隨機的，而且它受時間和溫度的影響極大，試驗表明，當不加校零時，如果將儀表的環境溫度從20℃升至50℃，儀表零點變化可能有十幾度，性能差的放大器變化會更大，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，自然它們的價格也比較昂貴。
　　加入放大器自動校零功能給儀表做同樣的變溫試驗，它的零點幾乎不變，而且長時間通電，零點也十分穩定，這樣在不選用高價放大器時，同樣可以收到高價放大器的效果。
　　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；
　　●[－(A/D)1]－[－(A/D)0]　夠減為負時則取補。
4.3 模擬開關1B的作用
　　從對放大器A2的校零角度來講，2選1開關1B可以不要，但是從儀表的實際使用角度來講，它又是必需的。假如儀表到現場測溫，并顯示正常溫度。如果萬一發生熱電偶斷線，則電容C1、C2的電荷將慢慢地發生變化造成儀表顯示值緩慢的變化，這種現象叫做爬行現象，當爬行速度與現場溫度變化相近時很容易給操作人員以假象而造成測量失準。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，操作人員據此來判斷測量系統是否發生故障。
4.4 熱偶冷端溫度自動補償
　　熱電偶發出的電熱不僅與工作端溫度有關，還與冷端溫度有關，而且熱電偶用于工業現場測溫時，其冷端是置于環境溫度中，因此如果熱電偶冷端不做處理，即使被測介質溫度不變，那么也會因為熱偶冷端溫度變化而使儀表顯示值變化，以往通常是用銅電阻配置在四端電橋中，用電橋的輸出電勢來抵消熱電偶冷端隨環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。當需要儀表進行溫度補償時，8031的P1.1輸出高電平，使其工作在電阻測溫狀態，這時測溫電阻接在儀表端，與熱電偶冷端處于同一環境溫度中，將其測量結果進行標度變換所得到的二進制碼用于補償熱偶冷端溫度變化值。
　　原則上講，補償電阻可以用上述6種分度號的任何一種分度號，而Cu50是最經濟的元件。
　　補償的一般形式為：
　　熱偶轉換值Net＋補償值N2·K
　　這里仍然分為四種情況：
　　a.正Net＋正N2K
　　b.正Net＋負N2K
　　c.負Net＋正N2K
　　d.負Net＋負N2K
4.5 量程修正
　　在儀表與熱電偶配用時，由于基準源MC1403的穩壓值有離散性，因而使儀表測量顯示值也有離散性，所以，對測量結果進行適當范圍的修正是必要的。在模擬電路中常用電位器來調節A/D轉換器的電壓以保證儀表性能的一致性，這種方法會因為電位器受振而產生漂移或電位器滑動而不能測量，本例是利用程序來修正結果的，本表底板上安裝了一個四聯開關，開關序號1、2、3、4分別對應8031的P1.3、P1.4、P1.5、P3.0。8031在每次測量時要查詢這些引腳有無閉合，均不閉合時，儀表測量程序化，開關序號越大，量程校正也越大，這樣可以根據儀表量程的離散程度，來決定選擇哪一個開關閉合，8031查詢開關閉合的順序是“1”到“4”。因此，任何時候，只能有一個開關閉合，若有兩個以上開關閉合，修正按最小序號開關進行修正。
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，甚至走進死循環而使儀表死機，應加入看門狗程序，以保證系統的可靠性。
　　不論儀表程序處于怎樣的死循環，8031的內部定時中斷總是能夠發生的，利用這一特性，就可以強行把程序從死循環中解脫出來。
　　在本儀表中，利用內部定時器來產生中斷，在中斷程序中故意彈出中斷地址而按新的中斷地址，一旦發生死循環，只要定時中斷一產生，就會強行使程序回到定時中斷的首地址。其程序如下：
　　EDO： DJNZ R3 ZDOO
　　　　 MOV R3 ＃10H 定進時間
　　　　　POP 33H 彈出斷點
　　　　　POP 33H
　　　　　MOV A，＃23H 壓入新斷點
　　　　　PUSH ACC
　　　　　MOV A，＃00H
　　　　　PUSH ACC
　　ZDOO：MOV 8AH ＃00H
　　　　　MOV 8CH ＃00H
　　　　　RETF