基于T-F變換的多點流體溫度測量系統(tǒng)

摘要：針對一般測溫方法在進行流體多點溫度測量時存在系統(tǒng)復(fù)雜，準(zhǔn)確度和速度難以兼顧的問題，提出了一種基于溫度-頻率(T-F)變換的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用PIC18F6722單片機控制MOS管開關(guān)陣列，使多個測點的熱敏電阻分別與TLC555構(gòu)成振蕩電路，將測點的溫度變化轉(zhuǎn)化為振蕩頻率的變化，使用8253計數(shù)芯片時TLC555的輸出信號進行測量并產(chǎn)生中斷，單片機讀取8253計數(shù)值反演為測點溫度。實驗表明，測點數(shù)目增多不會增加測量系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過設(shè)置8253的計數(shù)初值，可以在不改變硬件的情況下靈活選擇測量的準(zhǔn)確度和速度，滿足了流體多點精確快速測溫的需求。同時該系統(tǒng)具備簡潔實用，成本低的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：溫度測量；多點；溫度頻率變換；熱敏電阻；TLC555；8253計數(shù)器

溫度是流體力學(xué)中的重要變量，不僅影響流體介質(zhì)的物理性質(zhì)，更驅(qū)動著對流、混合等物理過程，因此需要快速、準(zhǔn)確、無擾或微擾地測量流體中的溫度，特別是為了了解全場流體的溫度分布，就需要對多個測點同時測量。目前采用的多點溫度測量方法可分為接觸式和非接觸式。接觸式方法將溫度傳感器的電阻等電學(xué)信號通過AD電路采集后轉(zhuǎn)換為溫度信號，測量精度高，常作為其他測量方法標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值。因每個溫度傳感器都要占用一路AD采集通道，當(dāng)測點增多時，采集系統(tǒng)的成本大幅增加，可維護性變差。用集成溫度傳感器如DS18B20進行多點測溫的方法已見報導(dǎo)，采用單總線通信使采集電路大為簡化，然而采集電路受測點溫度影響，測量精度有限，集成溫度傳感器的封裝尺寸較大，熱響應(yīng)時間長，不適于快速測量，且對流場的干擾較大。非接觸式溫度測量如紅外熱成像方法和示溫染料方法能夠高密度的測量或顯示溫度場分布，此類方法受于背景場和染料性質(zhì)的影響，測溫的相對精度較高，絕對精度不能滿足流體定量研究的需要。
為了克服現(xiàn)有測溫方法不能完全滿足流體多點測溫需要的缺點，提出了一種用MOS管控制快速響應(yīng)熱敏電阻陣列與TLC555構(gòu)成溫度-頻率(T-F)變換電路，結(jié)合單片機PIC18F6722和8253計數(shù)芯片精確測量頻率并反演為測點溫度，完成了測溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，能夠滿足流體多點精確測溫的需要。

1 總體設(shè)計
PIC18F6722是Microchip公司生產(chǎn)的增強型單片機，集成了豐富的硬件資源，包括兩個增強USART，一個SPI總線端口，54個I／O引腳，4個外部中斷，3 936字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的FLASH程序存儲空間和1 024字節(jié)的EEPROM，可以方便的與外設(shè)連接和通信。
8253是Intel公司的微型機外圍芯片，內(nèi)含三個獨立的16位可預(yù)置減法計數(shù)器和一個并行數(shù)據(jù)端口，可分別設(shè)置三個計數(shù)器的工作方式和讀寫計數(shù)值。SST25VF016是Silicon公司生產(chǎn)的16 Mbit SPI接口的串行FLASH存儲器，可以在失電的情況下長期保存測量數(shù)據(jù)。TLC555是德州儀器生產(chǎn)的功能完全兼容NE555的定時器芯片，具有更快的響應(yīng)速度，最高工作頻率可達2MHz。

計數(shù)通道2的計數(shù)值△N2與η的乘積得到校正后的計數(shù)值△N2*，用△N2*計算測點溫度即可校正系統(tǒng)漂移。
通信和存儲電路如圖5所示。通信電路使用Maxim公司的MAX485芯片將PIC18F6722的串口1轉(zhuǎn)換為半雙工RS485總線，用RC0引腳控制MAX485的收發(fā)工作狀態(tài)，實現(xiàn)多個測量單元遠距離可靠通信。存儲電路使用PIC18F6722的SPI端口，因SST25VF106是3．3 V工作電壓，將PIC18F6722的SD0和SCK用電阻分壓后連接，SDI引腳是輸入腳，可直接與SST25VF106的SO引腳連接。

使用MOS管開關(guān)陣列控制熱敏電阻陣列，實現(xiàn)多點的快速精確測溫，當(dāng)測點增多時，測量系統(tǒng)的復(fù)雜度無顯著增加。采用8253硬件計數(shù)電路，PIC18F6722只需對8253的寄存器值進行配置和讀寫，即可在測量精度和測量速度間根據(jù)實際情況靈活選擇，降低了軟件開發(fā)難度，系統(tǒng)的維護升級十分方便。

3 軟件設(shè)計
PIC18F6722是多點流體溫度測量系統(tǒng)的主控制器，需要完成各硬件的初始化、硬件連接的檢測、各測點溫度的測量、測量數(shù)據(jù)的傳輸與存儲等功能。軟件采用模塊化的設(shè)計方法，用C語言編寫，使用MPLAB IDE編譯器編譯，包括主程序、硬件初始化程序、硬件檢測程序、測溫中斷服務(wù)程序、通信和存儲程序等。軟件的流程圖如圖6所示。

主程序主要完成初始化各系統(tǒng)變量，與上位機通信決定系統(tǒng)硬件的工作方式，處理其他系統(tǒng)事務(wù)和各種異常。硬件初始化程序主要完成設(shè)置PIC18F6722各I／O口的工作方式，設(shè)置8253各寄存器的值。硬件檢測程序主要測試通信電路的收發(fā)功能是否正常，存儲電路的讀寫功能是否正常，振蕩電路是否能正常工作以及熱敏電阻陣列與MOS管開關(guān)陣列與振蕩電路的連接是否正常。
在8253的OUT0引腳下降沿觸發(fā)PIC18F6722的RB0引腳上的外部中斷時，執(zhí)行測溫中斷服務(wù)程序，在程序中關(guān)斷上一測點對應(yīng)的MOS管，讀取8253中計數(shù)通道1、2的計數(shù)值，打開下一測點對應(yīng)的MOS管，用計數(shù)通道1的值計算漂移系數(shù)校正系統(tǒng)漂移，再將計數(shù)器2的計數(shù)值轉(zhuǎn)化為測點溫度。

4 系統(tǒng)標(biāo)定與應(yīng)用
利用圖2中電容CT的充放電時間常數(shù)可以計算測點溫度與TLC555輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系，但在實際應(yīng)用中由于各器件的制造誤差，很難直接由對應(yīng)關(guān)系計算測點溫度。系統(tǒng)的直接測得量是8253的計數(shù)值，校正系統(tǒng)漂移后只有一個量(△N2*／N0)，通過初始標(biāo)定獲得溫度測量范圍內(nèi)每隔0．2K對應(yīng)的(△N2*／N0)，將其順序保存在FLASH存儲器SST25VF016中。在測量時，PIC18F6722按照線性插值方法將8253的計數(shù)值轉(zhuǎn)化為測點溫度。因為測量系統(tǒng)包含系統(tǒng)漂移校正機制，故系統(tǒng)標(biāo)定過程只需執(zhí)行一次便可保證長期穩(wěn)定的測量精度。
具體應(yīng)用中使用PIC18F6722的空閑I／O口實現(xiàn)了12x12陣列共144個熱敏電阻的多點測量。TLC555在溫度為298K時的振蕩頻率約為2 kHz，經(jīng)過系統(tǒng)標(biāo)定后，在280～320 K的范圍內(nèi)測量精度優(yōu)于0．05 K，單點測量時間約為7 ms，全場測量時間約為1 s，滿足了流體實驗中對多點溫度高精度快速測量的需要。該測量系統(tǒng)已成功應(yīng)用于水平溫差對流的實驗研究中。

5 結(jié)束語
本系統(tǒng)實現(xiàn)了流體介質(zhì)內(nèi)多點精確快速測溫的功能，測點數(shù)目增多時系統(tǒng)的復(fù)雜度基本不變。硬件電路將測點溫度變化轉(zhuǎn)化為TLC555輸出頻率的變化，并用8253計數(shù)器進行精確計數(shù)，單片機控制器只需讀寫8253寄存器即可計算測點溫度，簡化了軟件設(shè)計，方便系統(tǒng)的維護升級，單片機控制器改變8253的計數(shù)初值，不改動硬件即可在測量速度和準(zhǔn)確度間靈活選擇。系統(tǒng)實現(xiàn)了漂移校正功能，省去了繁瑣的多次標(biāo)定過程，能夠在不同的使用環(huán)境中長期穩(wěn)定的測量。