一類弱購價大功效的自動化分析儀器預(yù)設(shè)
一、總體設(shè)計
該智能溫控儀表的主要設(shè)計目標(biāo)如下：
輸入傳感器（通過參數(shù)選擇） ：熱電偶- K、E、J、T分度；熱電阻- Pt100、Cu100分度�；菊`差： 0. 5級。永久性存儲：失電后仍能將數(shù)據(jù)值和參數(shù)保存。
據(jù)此設(shè)計出整機(jī)控制原理圖如1.
整套控制儀表由測溫部分、冷端補(bǔ)償測量部分、開關(guān)通道選擇、信號轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)存儲部分、單片機(jī)及顯示/鍵處理部分組成。以下逐個模塊進(jìn)行設(shè)計分析。
二、硬件電路設(shè)計
（一）熱電偶信號測量
熱電偶是溫度測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度器件，它的主要特點(diǎn)是測溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好。
我們采用標(biāo)準(zhǔn)的儀表放大電路對熱電偶信號進(jìn)行采樣檢測，如2所示。儀表放大電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比的特性，使用差分放大電路，由于電路的對稱性，可有效抑制零點(diǎn)漂移。
TC_Vout = R4 R3（1 + 2R1 R2） < （TC_U in + ） - （ TC_U in - ） >
（二）冷端補(bǔ)償測量
熱電偶冷端的溫度對熱電勢的輸出存在影響，必須進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏�，如控制冷端溫度、電路補(bǔ)償法等，但應(yīng)用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不方便。我們這里利用二極管PN結(jié)正向壓降隨溫度變化特性，構(gòu)造簡易的冷端補(bǔ)償測量電路，如3所示。二極管與熱電偶的冷端同置于等溫銅塊接線板中，以保證在同一溫度場，但它們的接線與銅塊是絕緣的。
TSW _Vout = R_SW2 + R_SW3 R_SW3 VSW in
（三）熱電阻信號測量
熱電阻靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，互換性及準(zhǔn)確性比較好，且不需要冷端補(bǔ)償，但測溫范圍窄，廣泛用于中溫范圍（ - 200℃～650℃）測量中。
熱電阻信號典型測量電路如4所示。
TR_Vout =VRef（R1 R2 + Rt - R3 R1 + R3）
（四）多路選擇開關(guān)
該智能溫控儀表可根據(jù)參數(shù)設(shè)置分別選用不同的信號測量電路。如果選擇傳感器為熱電偶時，由單片機(jī)控制分時選用“熱電偶信號測量電路”和“冷端補(bǔ)償測量電路”進(jìn)行溫度測量信號處理；而如果選用傳感器為熱電阻時，由單片機(jī)控制僅僅選用“熱電阻信號測量電路”即可進(jìn)行溫度測量信號處理。這里我們選用模擬開關(guān)CD4016構(gòu)成多路選擇通道，配合單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號的檢測。
（五） V /F變換
對于檢測到的溫度傳感器信號，傳統(tǒng)處理方法多為采用A /D轉(zhuǎn)換電路，把模擬電壓信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號送給單片機(jī)處理。選用A /D轉(zhuǎn)換電路，需綜合考慮性價比問題，我們所設(shè)計的溫控儀表，要求最高測量溫度1600℃，基本誤差0. 5級，需要的數(shù)字量表示范圍最大應(yīng)為3200，配套選擇A /D轉(zhuǎn)換芯片至少應(yīng)12位才可以滿足設(shè)計要求，而10位以上的A /D變換芯片已經(jīng)價格不菲了。為此，筆者轉(zhuǎn)變思路，運(yùn)用V /F變換技術(shù)，把檢測到的溫度傳感器模擬電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ拿}沖頻率信號，利用單片機(jī)的定時/計數(shù)器對此脈沖頻率信號進(jìn)行統(tǒng)計處理，達(dá)到A /D轉(zhuǎn)換的目的。此方法進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換的速度不如真正的A /D轉(zhuǎn)換芯片，但考慮到溫度信號的滯后性及溫度控制對實(shí)時性要求不是很高的特點(diǎn)，采用此方法應(yīng)當(dāng)是完全可行的。
V /F變換芯片采用LM331，具備如下主要特點(diǎn)：
滿量程頻率范圍： 1～100KHz；最大非線性度： 0. 01% ；溫度穩(wěn)定性：<±50ppm /℃。
采用如圖5所示電路，輸出頻率公式如下：
fout = - V in 2. 09V 3 Rs Rin 3 1 RtCt
筆者針對此電路通過實(shí)際調(diào)試，得到滿量程輸出95KHz的脈沖輸出信號，假設(shè)每1秒鐘對溫度信號采樣一次，最大采樣數(shù)據(jù)值可達(dá)95000，完全可以滿足設(shè)計的分辨率要求。
（六）單片機(jī)的選擇
根據(jù)“項(xiàng)目式教學(xué)”的特點(diǎn)，筆者聯(lián)系學(xué)生所學(xué)的單片機(jī)應(yīng)用知識，選用A tmel公司生產(chǎn)的MCS - 51系列單片機(jī)AT89C52。該單片機(jī)具有8KB的Flash，可用于存儲應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)；另有256字節(jié)的內(nèi)部RAM和3個16位的定時/計數(shù)器，資源豐富，指令系統(tǒng)完全兼容于MCS - 51，學(xué)生可以直接編程使用。
（七）通用參數(shù)的保存
隨著半導(dǎo)體存儲技術(shù)的發(fā)展，串行EEPROM應(yīng)用越來越廣泛，我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|的各類IC卡，基本都采用了串行EEPROM，它的價格也非常低廉。所以，筆者在此采用A t 2 mel公司生產(chǎn)的AT24C01用來保存針對儀表所設(shè)置的各項(xiàng)應(yīng)用參數(shù)。
AT24C01內(nèi)含128字節(jié)的存儲單元，對于溫控儀表的參數(shù)設(shè)置與保存足夠使用了。
（八）人機(jī)界面設(shè)計
溫控儀表有它的應(yīng)用特殊性，如要求讀數(shù)清晰、可遠(yuǎn)距離觀察等。所以絕大多數(shù)的儀表設(shè)計采用高亮度數(shù)碼管，操作選用防塵保護(hù)的觸摸式按鍵。我們在此也不例外，同樣以數(shù)碼管和輕觸按鍵作為人機(jī)交互界面的載體。關(guān)于數(shù)碼管的顯示及按鍵的處理在各種單片機(jī)應(yīng)用教材中都有實(shí)例，學(xué)生可參照設(shè)計編程。
（九）通訊接口
利用單片機(jī)AT89C52的串行通訊接口UART，采用MAXIM公司的MAX487，可以構(gòu)成符合RS485協(xié)議規(guī)范的通訊接口，使本溫控儀表具備標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)串行總線通訊功能，可用于各種分布式的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。
三、軟件設(shè)計思想
本溫控儀表的軟件設(shè)計總體上可分為三個部分：
（一）傳感器信號的處理與溫度的計算1.
傳感器信號的處理如前所述，單片機(jī)最終得到的傳感器數(shù)據(jù)為連續(xù)的脈沖信號，利用單片機(jī)的定時/計數(shù)器可測量計算該脈沖信號的頻率，而V /F變換電路的最大非線性度只有0. 01% ，據(jù)此可對傳感器信號進(jìn)行如下處理：首先對儀表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校對：在熱電偶或熱電阻輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)電壓信號或電阻，然后通過儀表操作選定該輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓或電阻值為基準(zhǔn)。此時，由單片機(jī)程序?qū)⒋嘶鶞?zhǔn)值和該基準(zhǔn)值所對應(yīng)的脈沖頻率記憶至EEPROM中。
正常檢測過程中，可根據(jù)當(dāng)前實(shí)際的脈沖頻率和儀表所記憶的基準(zhǔn)脈沖頻率及基準(zhǔn)信號值（電壓值或電阻值） ，計算出當(dāng)前傳感器信號的電壓值或電阻值，從而巧妙避免了前述電路介紹中的各類公式計算。
2.溫度的計算查閱熱電偶或熱電阻的分度表可知，熱電勢或電阻值與溫度值的對應(yīng)關(guān)系為3次多項(xiàng)式，是非線性的。根據(jù)上述“傳感器信號的處理”中所得到的當(dāng)前傳感器信號的電壓值或電阻值來直接計算溫度值對于MCS - 51系列單片機(jī)來說幾乎是不可能的，即使進(jìn)行算法優(yōu)化后再計算也將花費(fèi)單片機(jī)非常多的資源和處理時間。所以筆者充分利用單片機(jī)AT89C52所具備的大容量Flash，把熱電偶和熱電阻的分度表保存在單片機(jī)中，根據(jù)上述“傳感器信號的處理”中所得到的當(dāng)前傳感器信號的電壓值或電阻值來查表得出當(dāng)前傳感器檢測點(diǎn)的溫度值，非常精確，免去了大量的計算，節(jié)省了單片機(jī)的軟件資源和時間。
（二）溫度的控制與調(diào)節(jié)采用經(jīng)典的PID控制算法可滿足絕大部分溫度控制領(lǐng)域的要求。至于當(dāng)前很多智能溫控儀表所具備的自動學(xué)習(xí)功能及模糊控制算法，筆者也進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，鑒于篇幅，不在此描述，以后另行寫出與各位同行探討。
（三）人機(jī)界面的設(shè)計包括參數(shù)的設(shè)置、按鍵操作的處理、顯示的風(fēng)格、串行EEPROM的編程、RS485通訊接口的實(shí)現(xiàn)等。本著操作方便、簡潔大方、參數(shù)明了、容易記憶的原則進(jìn)行編程設(shè)計。中國糧油儀器網(wǎng) http://www.52lvi.cn/
