基于单片机的多点温度测量仪的设计

摘  要： 提出一种以热敏电阻为温度传感器，经电阻-脉宽转换电路将热敏电阻的输出转换为脉宽信号，再由PIC16F876单片机进行处理，以实现多点温度显示的温度测量仪。采用比较法消除了电阻-脉宽转换电路由于器件参数变化造成的测量误差，提高了测量精度。该多点温度测量仪具有数字显示温度和以RS232串口输出温度的功能。
关键词： 单片机; 热敏电阻; 电阻-脉宽转换电路; RS232串口
       许多场合需要对多点温度进行监控。测量温度的传感器比较多，目前普遍采用的是热电偶和热电阻。热电偶测量温度范围宽、精度高、性能稳定，但价格高且输出热电动势低，不便于使用。金属热电阻测量温度范围在几百度以内，测量精度也较高，但是输出灵敏度较低。半导体热电阻即热敏电阻，具有高输出灵敏度的特点，且随着加工工艺的改善，测量精度和互换性都有了很大的提高，且价格低廉。
1 测量电路的设计
     多点温度测量仪由热敏电阻、多路转换开关、电阻-脉宽转换电路、单片机、显示部分和RS232串行输出接口组成，如图1所示。每个热敏电阻由单片机控制，经多路转换开关与电阻-脉宽转换电路相连，并被转换成与其阻值成正比的脉宽信号，单片机对脉宽信号进行测量，从而得到热敏电阻的阻值，再经过查表得到被测温度。
   
   1.1 电阻-脉宽转换电路
     电阻-脉宽转换电路由555芯片、电阻R和电容C组成,如图2所示。电阻-脉宽转换电路实际上是一个单稳态触发电路。图中虚线框内为555的原理电路，555电路包括一个三极管开关T1,2个电压比较器C1和C2，一个基本RS触发器，以及由3个阻值为5 kΩ的电阻组成的分压器[1]。
   
   


       对于该单稳触发器，只要在其触发端（引脚2）施加一个低电平触发信号，它便会输出一高电平信号，该高电平持续的时间为电容C上的电压由零上升到2Ec/3所需的时间,而这段时间的长短是由外接电阻R和电容C 所决定的。若保持电容C不变，这段高电平时间则与外接电阻R成正比，所以根据输出高电平的持续时间，即脉冲宽度便可知道电阻R的大小。转换电路所输出的高电平宽度(时间t)与外接电阻和电容的关系为t=RCln3。
     这里，温度传感器选用的是热敏电阻，同金属热电阻相比，热敏电阻的温度系数比较大，且阻值较高，这样转换电路的电容C可以选择性能比较稳定的小电容,以保证转换电路长期工作的稳定性。
1.2 单片机
     单片机采用微芯公司的PIC16F876型号单片机[2]。为了准确测量电阻-脉宽转换电路输出的脉冲宽度，这里利用了该单片机的捕捉输入接口。PIC16F876单片机有两个捕捉输入接口CCP1和CCP2，每个接口由两个8 bit寄存器构成。CCP1对应RC2引脚，CCP2对应RC1引脚。对于捕捉输入接口CCP1，当RC2引脚每出现一个脉冲的上升沿或下降沿（可以设定）时，就会将单片机内部的一个16 bit定时器的内容送入捕捉接口的两个8 bit寄存器中，根据这个功能，便可准确地测量电阻-脉宽转换电路输出的脉冲宽度。具体测量方法是：首先，单片机发出一个脉冲，触发电阻-脉宽转换电路，使其输出端变为高电平，同时让单片机内部的16 bit定时器开始计时，当电阻-脉宽转换电路输出的脉冲信号结束时，RC2的引脚上便会出现一个下降沿，CCP1捕捉到这个下降沿后,立即将单片机内部的16 bit定时器的数据送往CCP1的两个8 bit寄存器中[3]，这个数据就是电阻-脉宽转换电路输出的脉冲宽度。由于对下降沿的捕捉是由单片机内部硬件完成的，因此用这种方法对脉冲的宽度进行测量可以保证测量精度。
1.3 多路转换开关电路
     由于热敏电阻是由电阻-脉宽转换电路转换为脉宽信号的,为了多个热敏电阻共用一个电阻-脉宽转换电路，采用了CD4051多路转换开关，CD4051为8对1电子开关，具体哪一路接通，可由单片机通过三个控制端进行控制。
1.4 显示电路
     显示电路由数码管、三极管等元件组成，如图3所示。为了降低成本，充分利用单片机资源，采用扫描显示方式，即由单片机控制数码管分时显示。例如，单片机将要显示的最低位转换为7段码后，经I/O口发送到CHa~CHg，然后再使CH1变为高，这样数码管L1显示，停留一段时间后，再使数码管L2显示，然后再使数码管L3显示。由于一个循环显示周期很短，因此不会发生闪烁。另外可以根据显示位数的多少，增减数码管的个数。
   
   1.5 RS232接口电路
     所测温度除了可以直接显示外，还可以进行串行输出。由于单片机的异步串行通信接口不能进行远距离传输，为此，需要一个RS232接口电路，将其转换为标准的RS232串行通信信号。RS232接口电路采用MAX232芯片，MAX232芯片内含两套RS232接口电路，最大传输距离可达15 m，这个传输距离一般可以满足温度测量的需求。
2 测量误差及补偿
2.1 测量误差产生原因
     由于电阻-脉宽转换电路输出的脉冲宽度与外接电阻和电容的关系为：t=RCln3，对于温度测量仪，这里电阻R包括热敏电阻Rt、连接导线电阻R导和多路转换开关接通电阻R开。连接导线R导在长度确定后可以认为不发生变化，但多路转换开关型号不同或温度改变时，R开要发生变化。另外转换电容C因型号不同或老化，电容值也是不同的，所以即使被测温度没有发生变化，电阻-脉宽转换电路输出的脉冲宽度也会发生变化，即产生温度测量误差。
2.2 测量误差的补偿  

     基于单片机的多点温度测量仪，采用热敏电阻为温度传感器，经电阻-脉宽转换电路，再由PIC16F876单片机进行处理，实现了多点温度的数字显示，经RS232通信接口，还可将温度数据进行远距传输。采用比较法消除了电阻-脉宽转换电路由于器件参数变化造成的测量误差，提高了测量精度。该多点温度测量仪具有电路简单、无需调试、测量精度高、成本低廉等特点，具有较好的应用前景。
   参考文献
[1] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2006.
[2] 刘和平.PIC16F876X单片机实用软件与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3] 窦振中.PIC系列单片机原理与程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.