【關(guān)鍵詞】測溫儀表
【摘要】一種新型智能測溫儀表的實現(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(shù)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(zhuǎn)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(yè)生產(chǎn)部門中，但由于ICL7107測溫儀表報警電路復(fù)雜、通用性差等固有缺陷，近年來人們采用單片機來構(gòu)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(shù)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(yōu)勢：
　　●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，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(wěn)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(jù)上述構(gòu)想設(shè)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(guān)接入熱電阻測量支路，當P1.1為低電平時，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現(xiàn)熱電阻/熱電偶在一塊表上的統(tǒng)一。
　　當P1.2也發(fā)出高電平時放大器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RAM中，再令P1.2發(fā)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(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量結(jié)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(tài)。
　　當測量結(jié)果判為有報警時，用P1.6、P1.7置位或復(fù)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(shè)計的若干問題
3.1 R2電阻的選取
　　用熱電阻測溫時，A/D轉(zhuǎn)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(jīng)Rt上的電流，使其不要超過5mA，因為電流過大Rt自身發(fā)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(xiàn)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(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Pt100在600℃時，A/D轉(zhuǎn)換值不致溢出，而對于BA1和Cu50來說，A/D轉(zhuǎn)換的二進制碼又大于被測溫度所對應(yīng)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(wěn)定性直接關(guān)系到儀表的精度，因此R2應(yīng)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(zhuǎn)換器會產(chǎn)生溢出，利用溢出標志，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(gòu)成的報警電路中，要將低限報警改變?yōu)殡p上限報警并不是可以輕易做到的，而在單片機構(gòu)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(fā)出低電平時，四個2選1開關(guān)轉(zhuǎn)向熱電偶測量支路，此A/D轉(zhuǎn)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(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(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，通常可達10MΩ，放大倍數(shù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)精度和不致溢出，故選用51倍為其放大倍數(shù)。
4.2 放大器自動校零
　　8031的P1.2同時控制著兩個2選1模擬開關(guān)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(diào)電壓的大小和極性。8031這時讀入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(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校零。因為放大器的失調(diào)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(huán)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(wěn)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(guān)1B的作用
　　從對放大器A2的校零角度來講，2選1開關(guān)1B可以不要，但是從儀表的實際使用角度來講，它又是必需的。假如儀表到現(xiàn)場測溫，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，當爬行速度與現(xiàn)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(jù)此來判斷測量系統(tǒng)是否發(fā)生故障。
4.4 熱偶冷端溫度自動補償
　　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)場測溫時，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，即使被測介質(zhì)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(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(tài)，這時測溫電阻接在儀表端，與熱電偶冷端處于同一環(huán)境溫度中，將其測量結(jié)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(jīng)濟的元件。
　　補償?shù)囊话阈问綖椋?
　　熱偶轉(zhuǎn)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(wěn)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(jié)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(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的電壓以保證儀表性能的一致性，這種方法會因為電位器受振而產(chǎn)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(jié)果的，本表底板上安裝了一個四聯(lián)開關(guān)，開關(guān)序號1、2、3、4分別對應(yīng)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(guān)序號越大，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，任何時候，只能有一個開關(guān)閉合，若有兩個以上開關(guān)閉合，修正按最小序號開關(guān)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(huán)而使儀表死機，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)部定時中斷總是能夠發(fā)生的，利用這一特性，就可以強行把程序從死循環(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)，只要定時中斷一產(chǎn)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