智能溫控儀的優化設計

張軻

（洛陽市質量技術監督檢驗測試中心，河南洛陽471003）

1 概述

現今社會從工業生產到生活的方方面面，溫度控制儀表的應用越來越廣泛。特別是以單片機為核心的智能數顯溫控儀由于其顯示直觀清晰、測控穩定可靠在市場上所占比例最大。本設計中的溫控儀以宏晶STC51單片機為核心，以最簡單的外圍電路實現測量、顯示、控制功能。結合對測量電路的優化設計，配合軟件及工裝實現了較高精度以及生產過程的自動標定。

2 儀表組成

系統由電源供電、單片機最小系統、LED顯示及驅動、鍵盤、AD轉換電路、控制輸出電路、串行通信電路組成。此系統基本上已是通用設計應用，已比較廣泛不再贅述，系統設計中在保證系統的可靠性和精度的前提下盡量縮減成本，同時通過優化設計提高儀表各個方面的性能。下面簡述一下優化部分的硬件組成。

2.1 單片機選用宏晶科技51內核STC系列單片機，在國產低成本的優勢之外STC單片機應用ISP/IAP（在系統/在應用編程）技術使片內程序存儲器可作為EEPROM使用，設計中外部無須再連接片外數據存儲器；同時無需專用編程器可通過串口直接下載用戶程序，同時芯片封裝可選用體積較小的QFP貼片，降低了線路板體積，提高抗干擾能力。其內部集成了MAX810專用復位電路也簡化了外圍電路。此外此系列單片機超低功耗、超強抗干擾、高抗靜電的特性也是設計中選擇的重要原因。

2.2 AD轉換電路使用555定時器組成多些諧振蕩器以實現電壓到頻率的轉換。其特點同樣是簡單實用，結合單片機程序設計可以達到較高精度。同傳統AD轉換電路相比具有低成本和抗干擾性強的優點。VF電路頻率輸出端直接接入單片機計數器外部輸入端P3.4。計數器T0可工作在中斷方式，在16位計數器溢出的情況下在中斷中增加內部存儲器作為計數器的高位，可大范圍提高測量部分的頻率范圍最終提高AD部分的測量分辨率。

2.3 為了提高系統測量穩定性及精度在電路設計中我們應用了一片模擬開關電路CD4051。CD4051相當于一個數字控制的單刀八擲開關，其應用于AD轉化電路前相當于將AD轉化擴展到了八路。在此處擴展的主要作用有兩個：

其一，在擴展出的輸入上接入零點（模擬地）和一路標準電壓。其作用是每次測量溫度時同時測量零點和量程作為參照，這樣就可以完全杜絕VF轉換電路的時飄和溫飄等不穩定因素，在提高測量的穩定性的同時也降低了對555定時器及其周邊器件的要求，在低成本的前提下實現較高精度及穩定性。

其二，一般溫控器的傳感器有多種類型如熱電偶、熱電組、mv信號、4-20ma信號等，如果將這些信號接入同一個點可能導致信號調理電路互相影響或者說增加了信號調理電路的復雜程度，而目前的模擬開關電路可以使不同的信號獨立接入相互獨立的開關上，測量時由單片機選擇相應傳感器即可。具體電路見圖1。

圖1

3 軟件設計

軟件設計部分包含顯示驅動掃描、鍵盤掃描、中斷處理、計數器處理（AD轉換）、串行通訊、溫度計算、溫度控制（數字PID算法）、自檢、自動標定等一系列程序模塊。文中著重介紹和硬件優化設計有關的部分。

3.1 AD轉換部分：每次的AD轉換分時轉換三次，第一次單片機IO輸出選中模擬開關中地線對應的接入點，此時通過測量VF轉換得到零點計數值X0；第二次單片機IO輸出選中模擬開關中標準電壓對應的接入點，此時得到標準電壓計數值X1；第三次單片機IO輸出選中模擬開關中模擬輸入對應的接入點，此時通過測量VF轉換得到計數值X；對應的AD轉換結果應為y=(x-x0)/(x1-x0)*標準電壓。此電壓值通過查表可得到對應的溫度值。溫度電壓表通過自動標定程序獲得。通過查表方式從根本上解決了溫度測量調理電路和VF轉換電路帶來的非線性，軟件中無需再增加非線性調整部分的設計，但傳感器及其電路的線性越差標定時需要的標定點就會越多。由于模擬開關的引入使系統測量部分AD轉換的時間增加了三倍是本設計的一個缺點。

3.2 自動標定部分：生產過程中通過特殊操作使儀器進入自動標定流程，儀表首先運行自檢程序，自檢結束進入自動標定流程。以傳感器為熱電阻PT100的自動標定為例：溫控儀自檢結束LED顯示100提示接入標準電阻箱的阻值調至100歐姆（或者溫控表和工裝通過串口連接，工裝接受串行口傳送數據自動接入標準電阻100歐姆）。待顯示屏溫度顯示穩定后按下確認鍵此時溫控儀記錄此時的AD值和對應溫度生成表中的一個點。依此類推可得到完整的電壓溫度表供實際使用時查詢。標定結果可以直接顯示在LED屏，上也可通過串口連接管理微機實現生產管理自動化。

結語

本設計立足于低成本，經過優化設計、軟硬件結合，在低成本基礎上達到了較高的精度、穩定性和抗干擾性能。以上設計應用于實際生產有較大優勢：降低了對原器件的要求，自動標定程序能在較大范圍內對誤差進行調整和自動修正；降低了生產工人勞動強度，把工人從以往繁瑣的儀器標定中解脫出來，降低了勞動力成本；由以往單純測量改為比對方式提高了儀表在后續的使用中的長期穩定性，減少了儀表的售后服務工作，延長了儀表壽命。產品可廣泛應用于工業生產控制過程以及商用家用等各個領域，具有較高的應用價值。

[1]楊天怡，黃勤.單片機原理及應用.北京：清華大學出版社，2010.

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[3]樂建波.溫度控制系統[M].北京：化學工業出版社，2007.