R-T電阻溫度系數測定儀的改進

劉 銳，李文祥，何振良，陳國俊

（江蘇省物聯網應用技術重點建設實驗室 無錫太湖學院，江蘇 無錫 214046）

0 引 言

傳統的R-T電阻溫度系數測定儀是用來研究金屬電阻與其溫度關系的儀器，構造簡單，可通過反復調節滑動變阻器實現對銅絲電阻溫度的測量，但不具備維持溫度的功能。近年來，隨著微型計算機技術的迅猛發展，單片機憑借其價格低、處理能力強、控制簡單、抗干擾能力優于一般CPU的優點，被廣泛應用于有較高控制精度和較低成本要求的工業測控系統中，同時采用單片機作為數字控制器取代模擬控制器[1]。利用單片機對傳統R-T溫度系數測定儀進行改進具有廣闊的應用前景。

1 系統說明

恒溫控制系統分為四個模塊，分別為溫度顯示模塊、溫度測量模塊、用戶設定模塊和加熱控制模塊。本文恒溫控制系統選擇STC8951單片機芯片作為主控模塊，選用數字式溫度傳感器DS18B20精確測量溫度。為了便于用戶使用，本文恒溫系統選用雙端顯示，將銅絲電阻實時變化的溫度和用戶設定的溫度顯示在兩塊四位LED數碼管上，使效果更加直觀。在溫度控制方面，通過單片機處理DS18B20實時測量的溫度與之前按鍵設定的溫度，根據兩者的差值利用PWM調制技術控制加熱電阻加熱功率和通斷時間比例以實現恒溫控制效果。本文系統在加熱時紅色LED指示燈亮，恒溫狀態時綠色LED指示燈點亮、紅色LED指示燈閃爍。系統總體框架如圖1所示。

2 系統硬件組成

2.1 主控模塊

本設計主控模塊選用單片機進行控制。單片機是集CPU，RAM，ROM，I/O接口與中斷系統等于一體的器件，體積雖小但功能強大，只需要外加電源和晶振就可輕松實現對數字信息的處理和控制[2]。

本設計選擇宏晶科技有限公司生產的STC89C51芯片，它價格便宜，功能強大，擁有32個可編程I/O口，4 kB可編程FLASH程序存儲區存儲器可擦寫10萬次以上，3個16位定時器/計數器，2個串行中斷/外部中斷[3]。

圖1 系統總框架圖

2.2 溫度測量模塊

設計的系統采用測量精度較高的數字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20是美國達拉斯（DALLAS）公司生產的一款數字式溫度傳感器[4]，能夠將溫度這個模擬量進行放大處理轉換為數字量輸送給單片機芯片，之后單片機芯片對溫度進行分析處理，最終實現對溫度的測量與控制，其具有如下特點：

（1）體積小且封裝形式多樣。

（2）溫度測量范圍為-55 ℃～125 ℃，-10 ℃～85 ℃時測量精度需確保為0.5 ℃。

（3）溫度測量值轉化為數字量的轉換時間非常短，9位溫度值轉換時間為93.75 ms。

（4）DS18B20能夠運用1-wire總線技術（將地址線、數據線和控制線合并為一根信號線），只需單片機的一個I/O口即可實現雙向通信，無需A/D轉化器，硬件電路簡單。

（5）工作電源為3～5 V，能夠在寄生電源模式下工作，無需額外電源。

2.3 溫度顯示模塊

設計系統采用LED數碼管作為顯示元件，它具有高亮度、壽命長、成本低廉等特點，是電子設備的常用顯示器件。本設計的溫控系統測溫范圍為40 ℃～80 ℃，因此選用4位8段數碼管。

2.4 溫度設定模塊

本設計采用兩個獨立式按鍵供用戶選擇，分別為加鍵和減鍵。獨立式按鍵邏輯編程簡單，只用了2個單片機I/O口，有效節省了資源。

2.5 溫度控制模塊

采用場效應管控制10 V直流電源給10 W/10 Ω的水泥電阻進行加熱。通過水泥電阻散發的熱量加熱銅絲電阻，銅絲電阻不斷吸收熱量最終與當前環境溫度一致，由此實現恒溫控制。由單片機輸出PWM波，根據設定溫度與測量溫度之差決定輸出功率大小，利用高低電平控制場效應管的通斷，從而控制水泥電阻加熱。

3 系統軟件設計

本系統采用C語言編程，通過對單片機編程實現對各外圍電路的控制。主程序首先對各子函數進行初始化；然后調用讀取溫度、顯示溫度、按鍵設定子程序；最后使用PWM脈沖調制技術控制對加熱的通斷，最終實現自動控制調節溫度的效果。

（1）在溫度測量方面，DS18B20的操作順序必須按照嚴格的時隙來控制；

（2）在設定與顯示方面，通過外部中斷控制按鍵子程序，通過定時器中斷控制掃描數碼管并顯示；

（3）在溫度控制方面，程序按照一定的過程執行：當實時測量的溫度小于設定溫度時，控制PWM波導通場效應管，水泥電阻加熱，紅色指示燈亮；當實時測量的溫度達到設定溫度減1 ℃時，再次判斷實時溫度是否達到設定溫度，若達到單片機便控制PWM波場效應管關斷，停止加熱綠色指示燈亮，否則繼續加熱紅色指示燈亮。若紅色指示燈處于閃爍狀態，則表明溫度場為恒溫狀態，即銅絲電阻處于恒溫狀態。

4 仿真與調試

在軟件調試方面，目前開發者們大多使用流行的MCS-51系列單片機開發軟件——Keil。Keil提供了完整的開發方案，包括宏匯編、C編譯器、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器，它通過一個集成開發環境（μVision）將這些組合在一起。本設計選用Keil軟件的原因在于Keil C51標準C編譯器為51系列單片機的軟件開發提供了C語言環境并保留了匯編代碼高效、快速的特點[5]。Keil C51軟件能夠提供非常豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，生成目標代碼的效率高。

在電路仿真方面，本設計采用Proteus軟件，它不僅具有與其他EDA工具一樣的PCB自動或人工布線、原理布圖和電路仿真功能，還具有互動電路仿真、應用微處理器在原理圖的虛擬原型上進行編程及軟件源碼實時調試的獨特功能[2]。

本設計通過Proteus軟件實現電路圖的繪制，之后結合Keil軟件進行調試。

5 結 語

本文設計的系統將傳統溫度系數測定儀常用的模擬式溫度控制改進為數字式溫度控制，不僅實現了對銅絲電阻溫度的實時、有效測量，還能夠根據用戶設定的溫度數值調節和控制加熱裝置，使銅絲電阻保持恒溫狀態。本系統具有開發成本低、精度高、可靠性強、靈活性高等特點，應用前景廣泛。由于選用的是單片機芯片，外圍電路可擴展，程序也可重新修改燒錄，因此本文系統可以不斷被優化。