基于單片機(jī)的多點(diǎn)溫度測量儀的設(shè)計(jì)

許多場合需要對多點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)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(wěn)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(nèi)，測量精度也較高，但是輸出靈敏度較低。半導(dǎo)體熱電阻即熱敏電阻，具有高輸出靈敏度的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)
多點(diǎn)溫度測量儀由熱敏電阻、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、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(jī)控制，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路相連，并被轉(zhuǎn)換成與其阻值成正比的脈寬信號，單片機(jī)對脈寬信號進(jìn)行測量，從而得到熱敏電阻的阻值，再經(jīng)過查表得到被測溫度。

1.1 電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路
電阻-脈寬轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路實(shí)際上是一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。圖中虛線框內(nèi)為555的原理電路，555電路包括一個三極管開關(guān)T1,2個電壓比較器C1和C2，一個基本RS觸發(fā)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(wěn)觸發(fā)器，只要在其觸發(fā)端（引腳2）施加一個低電平觸發(fā)信號，它便會輸出一高電平信號，該高電平持續(xù)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(jù)輸出高電平的持續(xù)時間，即脈沖寬度便可知道電阻R的大小。轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)比較大，且阻值較高，這樣轉(zhuǎn)換電路的電容C可以選擇性能比較穩(wěn)定的小電容,以保證轉(zhuǎn)換電路長期工作的穩(wěn)定性。
1.2 單片機(jī)
單片機(jī)采用微芯公司的PIC16F876型號單片機(jī)[2]。為了準(zhǔn)確測量電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度，這里利用了該單片機(jī)的捕捉輸入接口。PIC16F876單片機(jī)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(gòu)成。CCP1對應(yīng)RC2引腳，CCP2對應(yīng)RC1引腳。對于捕捉輸入接口CCP1，當(dāng)RC2引腳每出現(xiàn)一個脈沖的上升沿或下降沿（可以設(shè)定）時，就會將單片機(jī)內(nèi)部的一個16 bit定時器的內(nèi)容送入捕捉接口的兩個8 bit寄存器中，根據(jù)這個功能，便可準(zhǔn)確地測量電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度。具體測量方法是：首先，單片機(jī)發(fā)出一個脈沖，觸發(fā)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路，使其輸出端變?yōu)楦唠娖剑瑫r讓單片機(jī)內(nèi)部的16 bit定時器開始計(jì)時，當(dāng)電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號結(jié)束時，RC2的引腳上便會出現(xiàn)一個下降沿，CCP1捕捉到這個下降沿后,立即將單片機(jī)內(nèi)部的16 bit定時器的數(shù)據(jù)送往CCP1的兩個8 bit寄存器中[3]，這個數(shù)據(jù)就是電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖寬度。由于對下降沿的捕捉是由單片機(jī)內(nèi)部硬件完成的，因此用這種方法對脈沖的寬度進(jìn)行測量可以保證測量精度。
1.3 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路
由于熱敏電阻是由電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈寬信號的,為了多個熱敏電阻共用一個電阻-脈寬轉(zhuǎn)換電路，采用了CD4051多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，CD4051為8對1電子開關(guān)，具體哪一路接通，可由單片機(jī)通過三個控制端進(jìn)行控制。
1.4 顯示電路
顯示電路由數(shù)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(jī)資源，采用掃描顯示方式，即由單片機(jī)控制數(shù)碼管分時顯示。例如，單片機(jī)將要顯示的最低位轉(zhuǎn)換為7段碼后，經(jīng)I/O口發(fā)送到CHa~CHg，然后再使CH1變?yōu)楦?，這樣數(shù)碼管L1顯示，停留一段時間后，再使數(shù)碼管L2顯示，然后再使數(shù)碼管L3顯示。由于一個循環(huán)顯示周期很短，因此不會發(fā)生閃爍。另外可以根據(jù)顯示位數(shù)的多少，增減數(shù)碼管的個數(shù)。