[導(dǎo)讀] 摘要：本文介紹了一種以單片機為核心的智能式熱電阻校驗儀的硬件工作原理及其軟件設(shè)計、該校驗儀具有收發(fā)熱電阻信號的雙重功能，獨到之處是可發(fā)出無源熱電阻信號及對應(yīng)的溫度值。
目前，自動化儀表及計算機控制系統(tǒng)的調(diào)校、檢修、維護所需的熱電阻信號均使用電阻箱來模擬。由于電阻箱具有體積大，適應(yīng)環(huán)境能力差.不能直接給出阻值所對應(yīng)的溫度值等缺點，給使用者帶來了極大不便。為此.研制一種數(shù)字式、高精度、智能化熱電阻校驗儀是非常必要的。
智能式熱電阻校驗儀是一個圍繞80031單片機組成的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)的硬件電路主要由電源、模擬和數(shù)字三部分組成。電源部分由模擬+5V、一5V、數(shù)字+5V、電橋十SV組成。模擬部分由采樣電路和模擬開關(guān)組成。數(shù)字部分由A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機及顯示電路構(gòu)成。
采樣電路由測電阻電橋、電阻信號發(fā)生器、溫度測量電路構(gòu)成。測電阻和發(fā)電阻采樣電路的原理是采用熱電阻做為橋臂的電阻一電壓變換電路。為了消除連接電阻引起的采樣誤差，采用了三線制連接方式，如圖2所示。其中，熱電阻R用三條引線與電橋相連，設(shè)三條引線電阻相同，記為r，其中一條引線置于電源回路，，上產(chǎn)生的微小壓降并不影響橋路的平衡，另兩條分別置于橋的兩臂，若獷相等，也不影響橋的平衡，故起到了引線電阻補償?shù)淖饔谩?/div>
當(dāng)需要測電阻時，通過測量橋路不平衡電壓和電阻K3上的電壓信號，分別作為被測熱電阻的電壓、電流采樣信號，經(jīng)放大器放大后，分別送A/D轉(zhuǎn)換電路l和A/D轉(zhuǎn)換電路2，再送給單片機。在80C31單片機中，根據(jù)R,進行運算，從而得到被測電阻的阻值。
當(dāng)需要發(fā)出無源熱電阻信號時，利用被校儀表所提供的測量電流，通過測量可調(diào)電位器和電阻R。的電壓信號，分別作為發(fā)出電阻的電壓、電流采樣信號，經(jīng)放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換電路1和A/D轉(zhuǎn)換電路2的轉(zhuǎn)換后，送80C負(fù)單片機進行計算處理，從而得到發(fā)出電阻的精確阻值。
為了進行環(huán)境溫度顯示及其誤差校正，需隨時測量現(xiàn)場環(huán)境溫度信一號。為此，采用了AD590做為溫度敏感元件。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，AD590的輸出毫伏信號也隨之變化，通過采樣這個毫伏信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路2送80031單片機進行環(huán)境溫度顯示及其誤差校正處理。
2.模擬電子開關(guān)
它由量程切換開關(guān)、測量種類切換開關(guān)和鎖存器三部分組成，其電路原理如圖3所示。為了提高鉑電阻信號輸入輸出的精度，根據(jù)現(xiàn)場實際需要，將鉑電阻的測溫范圍分成四個量程段分別進行處理。由于這四個量程段相同(0一100.C，100一200 ＇C，200一300 `C，300一400＇0＇ )，只是起點溫度和終點溫度不同，所以量程的自動切換可以采用改變放大器負(fù)輸入端的基準(zhǔn)電壓，并配合相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)。
基準(zhǔn)電壓的改變采用了單八通道模擬開關(guān)4051來控制。4051的A,B,C端為開關(guān)導(dǎo)通地址選擇線。當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為000時，X0導(dǎo)通.OP07放大器的負(fù)輸入端與模擬地相接，其基準(zhǔn)電壓為0,當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為001時，X:導(dǎo)通，OP07的負(fù)輸入端與k、一端相接，其基準(zhǔn)電壓為R。上的壓降;當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為010時，X:導(dǎo)通，OP07的負(fù)輸入端與k。一端相接，其基準(zhǔn)電壓為R;和尺;上的壓降之和;當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為011時，X3導(dǎo)通，OP07的負(fù)輸入端與X3一端相接，其基準(zhǔn)電壓為" 3 , ";和R上的壓降之和?？梢?，控制A,B,C端的輸入數(shù)字信號，便可改變OP07放大器的負(fù)輸入端的基準(zhǔn)電壓，從而實現(xiàn)量程的自動切換。
由于單片機輸入采樣信號有三種選擇，即測電阻、發(fā)電阻和環(huán)境溫度信號。本設(shè)計選用了三二通道模擬開關(guān)4053來進行選擇信號種類的控制。4053的A,B,C的輸入數(shù)字信號為開關(guān)導(dǎo)通地址選擇線。當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為111時.處于測電阻狀態(tài)，X,和X導(dǎo)通，測電阻的電壓信號接OP07的正輸入端，經(jīng)放大器放大送A/D轉(zhuǎn)換電路1.Y:和Y導(dǎo)通，導(dǎo)致Z:和Z接通，電流信號送A/D轉(zhuǎn)換電路2;當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為100時，處于發(fā)電阻狀態(tài)，X,、和X導(dǎo)通，發(fā)電阻的電壓信號接OP07的正輸入端，經(jīng)放大器放大送A/D轉(zhuǎn)換電路I.Y。與Y導(dǎo)通，導(dǎo)致Z:和Z接通，發(fā)電阻電流信號送A/D轉(zhuǎn)換電路2;當(dāng)C,B,A的輸入數(shù)字信號為OXX時，Z0與Z導(dǎo)通，環(huán)境溫度信號送A/D轉(zhuǎn)換電路2?？梢?，控制A,B,C;端輸入數(shù)字信號，便可實現(xiàn)單片機輸人采樣信號的選擇。
4051和4053的八、B,C端的輸入數(shù)字信號為開關(guān)控制信號，由單片機通過開關(guān)分析后發(fā)出，并經(jīng)數(shù)據(jù)總線加到40174鎖存器的輸入端，進行鎖存。
3. A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換電路選用了CMOS的D芯片ICL7I35擔(dān)任，它以雙積分原理進行轉(zhuǎn)換，具有自動校零，自動極性轉(zhuǎn)換，動態(tài)字位掃描，BCD碼輸出，自動量程切換等功能，轉(zhuǎn)換精度高，且易于與總線聯(lián)接。在ICL7135中，睡個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時，都要從ST百端發(fā)出一個中斷請求信號，單片機采用中斷查詢方式進行＇fit據(jù)采集。
4.單片機處理系統(tǒng)和液晶顯示電路
本系統(tǒng)選用了80C31作為CPU。由于80C 3 1內(nèi)部無程序存貯器，故擴展了一片16K的程序存貯器27C128,用來存放各種程序和熱電阻分度表以及誤差校正數(shù)據(jù)等。又由于80C31單片機的P?？谑欠謺r復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在程序存貯器擴展時，選用了帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373作為地址鎖存器，將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離出來。
液晶顯示采用YN05KX1大液晶片，數(shù)據(jù)顯示清晰，可讀性好。顯示驅(qū)動電路選用了BCD一七段鎖存/譯碼/液晶顯示驅(qū)動器14543和液晶顯示驅(qū)動器4054兩種CMOS芯片.鎖存控制信號由輸出譯碼器4028提供。
三、系統(tǒng)軟件設(shè)計
由于采用了單片機技術(shù)，所以在系統(tǒng)設(shè)計時，盡可能地利用軟件來代替硬件。如零點校正、線性補償、溫度補償?shù)染绍浖崿F(xiàn)，這樣可大大降低成本。
在整個軟件的設(shè)計上采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法和模塊化技術(shù)。頂層是主程序，它負(fù)責(zé)第二層功能模塊的管理和調(diào)用。功能模塊包括各種熱電阻功能處理程序、中斷服務(wù)程序、顯示程序等。底層包括誤差修正程序和溫度查表程序等。每個模塊完成一個特定功能，使整個軟件易于理解、修改和擴展。
軟件工作流程如圖4所示。其工作過程是:上電后，系統(tǒng)進行初始化，包括設(shè)置中斷觸發(fā)方式、優(yōu)先權(quán)、開中斷、標(biāo)志位、地址指針.清暫存單元和顯示緩沖區(qū)等。然后進行開關(guān)分析，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)，選擇調(diào)用哪種熱電阻處理程序。在各種熱電阻處理程序中，首先進行電阻值計算，然后進行零點校正、線性補償?shù)?最后進行溫度誤差校正及送液晶顯示。當(dāng)需要顯示熱電阻所對應(yīng)的溫度值時，調(diào)用溫度查表子程序，將溫度信號送液品顯示。
本系統(tǒng)設(shè)計了二個中斷服務(wù)程序，分別完成收發(fā)電阻所需的電壓信號和電流信號的采樣工作。為了提高采樣數(shù)據(jù)的抗干擾能力和顯示的穩(wěn)定性，采用了四次采樣求和平均的辦法修正采樣數(shù)據(jù)。
四、結(jié)束語
該校驗儀具有以下特點:
(1) 由于采用軟件代替了部分硬件電路。簡化了模擬電路，降低了成本。
(2)對許多關(guān)鍵元器件，不必要求參數(shù)的精確度，只要求其穩(wěn)定性，從而放寬了生產(chǎn)過程中對元器件的篩選。
(3)精度高、性能穩(wěn)定可靠、操作簡單、使用方便。