基于單片機實現查表測溫與加熱控制

決蒙 顏志強

前期設計了一款暖手寶加熱電路，主控芯片使用了具有10bit精度ADC和5K字節FLASH存儲空間的STC15W402AS單片機，驅動兩位LED顯示溫度，溫度檢測使用了置于暖手寶內的10KΩ（25°C時）鉑金電阻。為了既符合溫度檢測精度要求，又避免單片機溫度檢測復雜計算，采取巧妙的電路設計和采樣后直接查表代替復雜計算的方法，在極短時間內求得實時溫度，降低了編程難度，縮短了程序代碼。

為了減少外圍元件以降低成本，系統時鐘選擇使用單片機內部自帶的24兆IRC時鐘。鉑金測溫電阻Rk一端接地，另一端接單片機的P1.4腳，該腳還通過10KΩ高精度電阻R1上接5.12V電源的正極。單片機系統在內部以10位的精度對P1.4腳上電壓進行數字采樣，因此該系統的采樣分辨率為5mV（=5.12V/210），采樣輸出結果（設為X）乘以5mV就是P1.4腳上的測得電壓（即0.005*X）。同時電路Rk與R1串聯共接于5.12V電源正極，通過串聯分壓計算，Rk上分得的電壓為5.12V*Rk/（Rk+R1），該數取整后與P1.4腳上的測得電壓0.005*X應相等，即0.005*X=5.12*Rk/（Rk+R1），把兩邊取倒數，得到：

（1/X）=1/1024+R1/（1024*Rk）······式①

從式①中可以看到，X與Rk是一一對應且關系唯一（但不是線性關系），而根據阻值與溫度手冊查詢得知，每一個Rk值與一個唯一的溫度值相對應，從而可以推出X與溫度值也是一一對應且關系唯一。若把式①再化簡得到：

（1/X）=（R1/1024）（1/R1+1/Rk）······式②

R1=10000代入第一個括號內得

（1/X）≈ 9.77（1/R1+1/Rk）······式③

那么式③中X的物理意義就變成了定值電阻R1與測溫電阻Rk并聯后的阻值縮小9.77倍（倍數為R1/1024，隨R1而改變），若把R1換為1024Ω，X值就等于定值電阻R1與Rk并聯后的阻值。從式③中也可以看到，X值測量，最終與電源電壓無關，但為了提高測量準確度，電源電壓盡量高。

測溫時，若根據式③這種關系，在程序中把采樣結果用計算方式得到實時溫度仍然是非常麻煩的。為此，在編程之前，利用式③這種關系使用excel電子表格推導出不同Rk與R1并聯縮小R1/1024倍的X整數值，和與之對應溫度值。測溫電阻使用手冊中，只給出了-20°C至120°C之間140個整點溫度對應的Rk阻值，通過這些阻值，根據式③關系推導出X值，把X值作為相對存儲地址，這些地址存儲當前Rk值對應的溫度值。因為大批量生產，雖不可能對每一只測溫電阻進行測量，但編程之前，仍手動測量了非整數溫度點對應的Rk，與上述推導結果一并存入電子表格中，轉化后固化到STC15W402AS的EEPROM中。

具體方法：X取值范圍即ADC輸出值為0～1023（即20-1～210-1），既對應了1024個Rk值，又對應了1024個溫度值，通過excel電子表格推導或手動測量得出1024個X值和對應的1024個溫度值，并按X由0至1023的順序排列出這1024個溫度值，而后存入到一個與程序代碼文件類型一致的TEMPERATURE文件中。程序固化時，程序代碼空間選擇從地址0000H開始到07FFH地址結束，大小2048個字節;文件TEMPERATURE選擇從0800H地址開始到0BFFH地址結束，這塊區域是數據存儲區，0C00H之后還有3K字節的數據存儲區，可以另作他用。固化結束后，地址800H到BFFH之間，順序存入了1024個溫度值。編程時，采樣得到的10位結果值X，低八位送給DPL，高兩位加十進制數12送給DPH，A清零，使用MOVC A，@A+DPTR指令通過查表功能而得到實時溫度。從EEPROM存儲的整體數據來看，R1使用10KΩ電阻，大于100°C時，理論測量精度約為1°C;85°C至 100°C時，理論測量精度約為0.5°C;70°C至 85°C時，理論測量精度約為0.35°C;40°C至 70°C時，理論測量精度約為0.2°C;0°C至 40°C時，理論測量精度約為0.1°C;-20°C至0°C左右時，理論測量精度約為0.2°C。后來，為了提升70°C左右的測量精度，R1使用了1000Ω和24Ω電阻串聯代替原10KΩ電阻，使70°C左右的溫度測量精度提升到0.15°C左右，而25°C左右的測量精度則下降到0.25°C左右。由此可以看到，使用不同阻值的R1，可以提升Rk=R1對應溫度區間的測量精度。改變R1時，不用重寫程序代碼，只需更改TEMPERATURE文件，重新固化代碼程序和EEPROM數據區即可。系統使用24兆時鐘，測溫一次約需80us。最高加熱溫度70°C，其測量精度雖然約為0.15°C（此時R1=1024Ω），但由于成本和體積限制，使用了兩位LED，顯示精度則是1°C。

系統加電后，單片機首先斷開加熱、關閉蜂鳴器，初始化定時器、中斷入口、A/D采樣、休眠等一些必要的參數，而后調用測溫子程序檢測暖手寶實時溫度，當溫度采樣值為3FF或0時，說明暖手寶未與加熱器相連或加熱器測溫電路短路，禁止加熱，LED顯示“□□”。當溫度在70°C以下時，開始加熱，每0.25秒檢測一次暖手寶溫度，LED實時顯示當前溫度;當檢測到實時溫度達到68°C時，停止加熱15秒，利用加熱器的余熱繼續加熱，如果不能達到最高溫度，則采取加熱6秒停止10秒的方式繼續加熱，從而最終把暖手寶加熱到70°C，并終止加熱，蜂鳴器發出六組叫聲，提示主人取下暖手寶，完成本次暖手寶測溫加熱。如果暖手寶及時取下來，下次插上可以再次加熱。但如果暖手寶加熱完畢一直沒有取下來，系統采取每秒鐘檢測一次暖手寶溫度，當其溫度下降到65°C以下時，啟動加熱程序，使暖手寶再次加熱到70°C。系統共檢測15分鐘，超過15分鐘后，徹底不再加熱，進入休眼，防止長久加熱出現危險，只有暖手寶斷電重啟后才能再次啟動溫度檢測和加熱功能。