基于PT100的數控機床主軸溫度采集系統設計

唐清春，劉斌，魏巍，王太子，潘英廣，張晨陽

（1.廣西科技大學創新創業學院，廣西柳州，545006；2.廣西科技大學機械與汽車工程學院，廣西柳州，545006）

0 引言

在數控加工中，誤差的存在嚴重影響了加工精度的提高，其中機床主軸熱誤差是誤差的主要來源之一。而溫度測量［1］對于數控機床主軸熱誤差的補償而言至關重要，因此如何實現數控機床主軸溫度測量的準確、便捷、低成本，便成為當前的熱點話題[2]。該文以單片機STC89C52RC為處理器，PT100熱電阻式溫度傳感器為檢測部件，液晶顯示器、按鍵為標準輸入輸出，另外配以部分信號處理芯片組成了一個小型溫度采集系統［3］，該系統不僅可以對數控機床主軸進行溫度測量，還能應用于其他需要采集溫度數據的場所，具有很強的實踐性和可移植性。

1 系統功能及實現方案

其實現流程如下：

(1)PT100熱電阻式溫度傳感器［4］將被測物體的溫度信息映射為自身阻值變化。

(2)測溫電路則將阻值變化轉化為電壓信號并進行放大，放大后的信號傳輸至PCF8591模量轉換芯片轉化為數字信號。

(3)模量轉換芯片將數字信號發送至單片機STC89C52RC進行信號預處理（即去除部分誤差較大的數據）。

(4)單片機將處理過后的數字信號分別發送至液晶顯示器LCD1602以及外部存儲芯片24C64。

液晶顯示器LCD1602用以對數字信號進行直接顯示，外部存儲芯片24C64則對數據進行存儲并在與PC通信的時候進行數據輸出。該系統的總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

數控機床主軸溫度采集系統主要由以下電路組成：單片機最小系統電路、PT100測溫電路、按鍵電路、LCD1602液晶顯示器電路、PCF8591模量轉換電路、外部存儲電路、USB串口通信電路。

2.1 單片機最小系統電路設計

單片機最小系統電路能夠為單片機提供基本運行環境。該系統選用的STC89C52RC是一個低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，有著體積小、價格便宜、運行穩定等優點。其主要由STC89C52RC單片機、晶振電路、復位電路以及電源電路構成。

其中晶振電路用于提供單片機的時鐘頻率，為11.05926MHz；單片機的復位電路則是用于單片機程序的復位，在保證上電自動復位情況下，該設計中提供按鈕進行手動復位；溫度采集系統使用的供電方式為USB供電。

2.2 PT100測溫電路設計

測溫電路用以實現溫度信號到模擬電壓信號的轉換。該溫度采集系統選用熱電阻傳感器PT100作為溫度傳感器，并通過如圖2所示的恒流源式測溫電路對傳感器信號進行處理。恒流源式測溫電路能夠提供恒定電流給PT100，相較于其他測溫電路具有較高的精度。

圖2 測溫電路示意圖

該測溫電路主要由恒流源與運算放大器兩部分組成：運放IC1A將基準電壓4.096V轉換為恒流源，電流流過PT100時產生壓降，壓降信號經過運放IC1B放大后得到模擬信號輸出。

2.3 按鍵電路設計

數控機床主軸溫度采集系統通過按鍵來實現對各個功能控制。共有8個按鍵，其中6個按鍵為功能按鍵，2個備用按鍵，6個按鍵的功能分別為開始采集、停止采集、數據讀取、上翻頁、下翻頁、數據上傳。

2.4 LCD1602液晶顯示器電路設計

LCD1602液晶顯示器是點陣型液晶，它將單片機發送的溫度數據進行直接顯示。該顯示器應用十分廣泛，驅動方便，顯示內容多樣且質量較高。在液晶顯示器是數據通信端口外接上拉電阻，控制其端口電位。

2.5 PCF8591模量轉換電路設計

模量轉換電路為模量轉換芯片提供基本運行環境，以實現模擬信號到數字信號的轉換。將測溫電路輸出的模擬信號發送到模數轉換芯片的模擬量輸入接口，在芯片內部完成信號轉換。單個PCF8591芯片具有4個模擬量輸入接口，溫度采集裝置配有4個PCF8591模數轉換芯片。其中16個模擬量輸入接口均已引出，12個外接測溫電路，4個留以備用。

2.6 外部存儲電路設計

溫度采集系統需要將采集的數據傳送至PC端，因此系統配有2個24C64外部存儲芯片，確保該系統能夠在斷電的情況下保存數據，并在與PC通信時進行數據輸出。

2.7 USB串口通信電路設計

USB串口通信電路用以實現單片機軟件的下載和溫度數據的上傳，其主要由USB接口、CH340T芯片構成。該電路通過CH340T芯片實現信號轉換，同時USB接口為整個系統提供電源。

3 系統軟件設計

數控機床主軸溫度采集系統由硬件、軟件兩部分組成。硬件為軟件功能的實現提供物質基礎，軟件則完成各具體功能。軟件程序主要由主程序和子程序構成，主程序為整個軟件的核心，用以調度硬件配置以及與用戶進行交互。子程序則完成測溫、存儲等實質性工作。

4 仿真及實例應用驗證

4.1 測溫系統仿真

通過Proteus軟件與KeiluVision4共同完成系統仿真。其中Keil uVision4用以編寫軟件代碼，Proteus用以單片機仿真。在Proteus軟件中繪制系統結構圖，并導入在KeiluVision4中代碼生成的HEX文件進行仿真。

4.2 實例應用

在PCB制作、元器件焊接完成之后，將該測溫系統與標準測溫儀器置于水中進行測驗。在多個水溫進行重復測量，并記錄標準測溫儀器與該測溫系統的測量數據。

4.3 數據分析

測驗記錄的部分數據如下表所示。在比對該系統所測數據與標準溫度測量儀器的測溫數據中發現，該系統測量數據存在以下問題：

(1)該系統在不同溫段測量誤差有所不同；(2)該系統測量數據始終存在誤差。

考慮以上問題存在的原因可能是：

(1)該系統的標定采用曲線擬合的方式完成，所以在不同的溫度段測量誤差有所偏差；(2)PT100測溫探頭存在一定體積，若水中溫度不均勻會造成一定誤差。(3)實驗數據的細小誤差可能是單片機在計算過程中的舍入誤差引起。

雖然與標準測溫設備相比，該系統測量數據存在一定偏差，但該偏差在在可以接受的誤差范圍內，能夠滿足測溫需求。

5 總結

該文使用STC89C52RC單片機、PT100溫度傳感器、LCD1602液晶顯示器、PCF8591模數轉換芯片、24C64存儲芯片、CH340T芯片等設計了數控機床主軸溫度采集系統，并進行了計算機仿真和實地測試。測試結果表明：該系統整體設計能夠實現預期功能，能夠完成一定的測溫任務，具有較高的推廣價值。且系統具有結構簡單、運行穩定、成本低廉等優點，但是該裝置受限于測溫電路的誤差，導致采集的數據精度有限。