基于單片機的多點溫度測量儀的設計

于相斌，張慶國,田 輝

（空軍航空大學 航空控制工程系，吉林 長春130022）

許多場合需要對多點溫度進行監控。測量溫度的傳感器比較多，目前普遍采用的是熱電偶和熱電阻。熱電偶測量溫度范圍寬、精度高、性能穩定，但價格高且輸出熱電動勢低，不便于使用。金屬熱電阻測量溫度范圍在幾百度以內，測量精度也較高，但是輸出靈敏度較低。半導體熱電阻即熱敏電阻，具有高輸出靈敏度的特點，且隨著加工工藝的改善，測量精度和互換性都有了很大的提高，且價格低廉。

1 測量電路的設計

多點溫度測量儀由熱敏電阻、多路轉換開關、電阻-脈寬轉換電路、單片機、顯示部分和RS232串行輸出接口組成，如圖1所示。每個熱敏電阻由單片機控制，經多路轉換開關與電阻-脈寬轉換電路相連，并被轉換成與其阻值成正比的脈寬信號，單片機對脈寬信號進行測量，從而得到熱敏電阻的阻值，再經過查表得到被測溫度。

1.1 電阻-脈寬轉換電路

電阻-脈寬轉換電路由555芯片、電阻R和電容C組成,如圖2所示。電阻-脈寬轉換電路實際上是一個單穩態觸發電路。圖中虛線框內為555的原理電路，555電路包括一個三極管開關T1,2個電壓比較器C1和C2，一個基本RS觸發器，以及由3個阻值為5 kΩ的電阻組成的分壓器[1]。

對于該單穩觸發器，只要在其觸發端（引腳2）施加一個低電平觸發信號，它便會輸出一高電平信號，該高電平持續的時間為電容C上的電壓由零上升到2Ec/3所需的時間,而這段時間的長短是由外接電阻R和電容C所決定的。若保持電容C不變，這段高電平時間則與外接電阻R成正比，所以根據輸出高電平的持續時間，即脈沖寬度便可知道電阻R的大小。轉換電路所輸出的高電平寬度(時間t)與外接電阻和電容的關系為t=RCln3。

這里，溫度傳感器選用的是熱敏電阻，同金屬熱電阻相比，熱敏電阻的溫度系數比較大，且阻值較高，這樣轉換電路的電容C可以選擇性能比較穩定的小電容,以保證轉換電路長期工作的穩定性。

1.2 單片機

單片機采用微芯公司的PIC16F876型號單片機[2]。為了準確測量電阻-脈寬轉換電路輸出的脈沖寬度，這里利用了該單片機的捕捉輸入接口。

PIC16F876單片機有兩個捕捉輸入接口CCP1和CCP2，每個接口由兩個8 bit寄存器構成。CCP1對應RC2引腳，CCP2對應RC1引腳。對于捕捉輸入接口CCP1，當RC2引腳每出現一個脈沖的上升沿或下降沿（可以設定）時，就會將單片機內部的一個16 bit定時器的內容送入捕捉接口的兩個8 bit寄存器中，根據這個功能，便可準確地測量電阻-脈寬轉換電路輸出的脈沖寬度。具體測量方法是：首先，單片機發出一個脈沖，觸發電阻-脈寬轉換電路，使其輸出端變為高電平，同時讓單片機內部的16 bit定時器開始計時，當電阻-脈寬轉換電路輸出的脈沖信號結束時，RC2的引腳上便會出現一個下降沿，CCP1捕捉到這個下降沿后,立即將單片機內部的16 bit定時器的數據送往CCP1的兩個8 bit寄存器中[3]，這個數據就是電阻-脈寬轉換電路輸出的脈沖寬度。由于對下降沿的捕捉是由單片機內部硬件完成的，因此用這種方法對脈沖的寬度進行測量可以保證測量精度。

1.3 多路轉換開關電路

由于熱敏電阻是由電阻-脈寬轉換電路轉換為脈寬信號的,為了多個熱敏電阻共用一個電阻-脈寬轉換電路，采用了CD4051多路轉換開關，CD4051為8對1電子開關，具體哪一路接通，可由單片機通過三個控制端進行控制。

1.4 顯示電路

顯示電路由數碼管、三極管等元件組成，如圖3所示。為了降低成本，充分利用單片機資源，采用掃描顯示方式，即由單片機控制數碼管分時顯示。例如，單片機將要顯示的最低位轉換為7段碼后，經I/O口發送到CHa～CHg，然后再使 CH1變為高，這樣數碼管 L1顯示，停留一段時間后，再使數碼管L2顯示，然后再使數碼管L3顯示。由于一個循環顯示周期很短，因此不會發生閃爍。另外可以根據顯示位數的多少，增減數碼管的個數。

1.5 RS232接口電路

所測溫度除了可以直接顯示外，還可以進行串行輸出。由于單片機的異步串行通信接口不能進行遠距離傳輸，為此，需要一個RS232接口電路，將其轉換為標準的RS232串行通信信號。RS232接口電路采用MAX232芯片，MAX232芯片內含兩套RS232接口電路，最大傳輸距離可達15 m，這個傳輸距離一般可以滿足溫度測量的需求。

2 測量誤差及補償

2.1 測量誤差產生原因

由于電阻-脈寬轉換電路輸出的脈沖寬度與外接電阻和電容的關系為：t=RCln3，對于溫度測量儀，這里電阻R包括熱敏電阻Rt、連接導線電阻R導和多路轉換開關接通電阻R開。連接導線R導在長度確定后可以認為不發生變化，但多路轉換開關型號不同或溫度改變時，R開要發生變化。另外轉換電容C因型號不同或老化，電容值也是不同的，所以即使被測溫度沒有發生變化，電阻-脈寬轉換電路輸出的脈沖寬度也會發生變化，即產生溫度測量誤差。

2.2 測量誤差的補償

基于單片機的多點溫度測量儀，采用熱敏電阻為溫度傳感器，經電阻-脈寬轉換電路，再由PIC16F876單片機進行處理，實現了多點溫度的數字顯示，經RS232通信接口，還可將溫度數據進行遠距傳輸。采用比較法消除了電阻-脈寬轉換電路由于器件參數變化造成的測量誤差，提高了測量精度。該多點溫度測量儀具有電路簡單、無需調試、測量精度高、成本低廉等特點，具有較好的應用前景。

[1]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,2006.

[2]劉和平.PIC16F876X單片機實用軟件與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]竇振中.PIC系列單片機原理與程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.