基于PT100的數(shù)控機(jī)床主軸溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

唐清春，劉斌，魏巍，王太子，潘英廣，張晨陽

（1.廣西科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，廣西柳州，545006；2.廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西柳州，545006）

0 引言

在數(shù)控加工中，誤差的存在嚴(yán)重影響了加工精度的提高，其中機(jī)床主軸熱誤差是誤差的主要來源之一。而溫度測量［1］對于數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差的補(bǔ)償而言至關(guān)重要，因此如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床主軸溫度測量的準(zhǔn)確、便捷、低成本，便成為當(dāng)前的熱點(diǎn)話題[2]。該文以單片機(jī)STC89C52RC為處理器，PT100熱電阻式溫度傳感器為檢測部件，液晶顯示器、按鍵為標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出，另外配以部分信號處理芯片組成了一個小型溫度采集系統(tǒng)［3］，該系統(tǒng)不僅可以對數(shù)控機(jī)床主軸進(jìn)行溫度測量，還能應(yīng)用于其他需要采集溫度數(shù)據(jù)的場所，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和可移植性。

1 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)方案

其實(shí)現(xiàn)流程如下：

(1)PT100熱電阻式溫度傳感器［4］將被測物體的溫度信息映射為自身阻值變化。

(2)測溫電路則將阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓信號并進(jìn)行放大，放大后的信號傳輸至PCF8591模量轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

(3)模量轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號發(fā)送至單片機(jī)STC89C52RC進(jìn)行信號預(yù)處理（即去除部分誤差較大的數(shù)據(jù)）。

(4)單片機(jī)將處理過后的數(shù)字信號分別發(fā)送至液晶顯示器LCD1602以及外部存儲芯片24C64。

液晶顯示器LCD1602用以對數(shù)字信號進(jìn)行直接顯示，外部存儲芯片24C64則對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并在與PC通信的時候進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。該系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)控機(jī)床主軸溫度采集系統(tǒng)主要由以下電路組成：單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、PT100測溫電路、按鍵電路、LCD1602液晶顯示器電路、PCF8591模量轉(zhuǎn)換電路、外部存儲電路、USB串口通信電路。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)提供基本運(yùn)行環(huán)境。該系統(tǒng)選用的STC89C52RC是一個低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，有著體積小、價格便宜、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其主要由STC89C52RC單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成。

其中晶振電路用于提供單片機(jī)的時鐘頻率，為11.05926MHz；單片機(jī)的復(fù)位電路則是用于單片機(jī)程序的復(fù)位，在保證上電自動復(fù)位情況下，該設(shè)計中提供按鈕進(jìn)行手動復(fù)位；溫度采集系統(tǒng)使用的供電方式為USB供電。

2.2 PT100測溫電路設(shè)計

測溫電路用以實(shí)現(xiàn)溫度信號到模擬電壓信號的轉(zhuǎn)換。該溫度采集系統(tǒng)選用熱電阻傳感器PT100作為溫度傳感器，并通過如圖2所示的恒流源式測溫電路對傳感器信號進(jìn)行處理。恒流源式測溫電路能夠提供恒定電流給PT100，相較于其他測溫電路具有較高的精度。

圖2 測溫電路示意圖

該測溫電路主要由恒流源與運(yùn)算放大器兩部分組成：運(yùn)放IC1A將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過PT100時產(chǎn)生壓降，壓降信號經(jīng)過運(yùn)放IC1B放大后得到模擬信號輸出。

2.3 按鍵電路設(shè)計

數(shù)控機(jī)床主軸溫度采集系統(tǒng)通過按鍵來實(shí)現(xiàn)對各個功能控制。共有8個按鍵，其中6個按鍵為功能按鍵，2個備用按鍵，6個按鍵的功能分別為開始采集、停止采集、數(shù)據(jù)讀取、上翻頁、下翻頁、數(shù)據(jù)上傳。

2.4 LCD1602液晶顯示器電路設(shè)計

LCD1602液晶顯示器是點(diǎn)陣型液晶，它將單片機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行直接顯示。該顯示器應(yīng)用十分廣泛，驅(qū)動方便，顯示內(nèi)容多樣且質(zhì)量較高。在液晶顯示器是數(shù)據(jù)通信端口外接上拉電阻，控制其端口電位。

2.5 PCF8591模量轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

模量轉(zhuǎn)換電路為模量轉(zhuǎn)換芯片提供基本運(yùn)行環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。將測溫電路輸出的模擬信號發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的模擬量輸入接口，在芯片內(nèi)部完成信號轉(zhuǎn)換。單個PCF8591芯片具有4個模擬量輸入接口，溫度采集裝置配有4個PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。其中16個模擬量輸入接口均已引出，12個外接測溫電路，4個留以備用。

2.6 外部存儲電路設(shè)計

溫度采集系統(tǒng)需要將采集的數(shù)據(jù)傳送至PC端，因此系統(tǒng)配有2個24C64外部存儲芯片，確保該系統(tǒng)能夠在斷電的情況下保存數(shù)據(jù)，并在與PC通信時進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

2.7 USB串口通信電路設(shè)計

USB串口通信電路用以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)軟件的下載和溫度數(shù)據(jù)的上傳，其主要由USB接口、CH340T芯片構(gòu)成。該電路通過CH340T芯片實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，同時USB接口為整個系統(tǒng)提供電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)控機(jī)床主軸溫度采集系統(tǒng)由硬件、軟件兩部分組成。硬件為軟件功能的實(shí)現(xiàn)提供物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則完成各具體功能。軟件程序主要由主程序和子程序構(gòu)成，主程序?yàn)檎麄€軟件的核心，用以調(diào)度硬件配置以及與用戶進(jìn)行交互。子程序則完成測溫、存儲等實(shí)質(zhì)性工作。

4 仿真及實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 測溫系統(tǒng)仿真

通過Proteus軟件與KeiluVision4共同完成系統(tǒng)仿真。其中Keil uVision4用以編寫軟件代碼，Proteus用以單片機(jī)仿真。在Proteus軟件中繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并導(dǎo)入在KeiluVision4中代碼生成的HEX文件進(jìn)行仿真。

4.2 實(shí)例應(yīng)用

在PCB制作、元器件焊接完成之后，將該測溫系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)測溫儀器置于水中進(jìn)行測驗(yàn)。在多個水溫進(jìn)行重復(fù)測量，并記錄標(biāo)準(zhǔn)測溫儀器與該測溫系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)分析

測驗(yàn)記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表所示。在比對該系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度測量儀器的測溫數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)存在以下問題：

(1)該系統(tǒng)在不同溫段測量誤差有所不同；(2)該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)始終存在誤差。

考慮以上問題存在的原因可能是：

(1)該系統(tǒng)的標(biāo)定采用曲線擬合的方式完成，所以在不同的溫度段測量誤差有所偏差；(2)PT100測溫探頭存在一定體積，若水中溫度不均勻會造成一定誤差。(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)小誤差可能是單片機(jī)在計算過程中的舍入誤差引起。

雖然與標(biāo)準(zhǔn)測溫設(shè)備相比，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)存在一定偏差，但該偏差在在可以接受的誤差范圍內(nèi)，能夠滿足測溫需求。

5 總結(jié)

該文使用STC89C52RC單片機(jī)、PT100溫度傳感器、LCD1602液晶顯示器、PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、24C64存儲芯片、CH340T芯片等設(shè)計了數(shù)控機(jī)床主軸溫度采集系統(tǒng)，并進(jìn)行了計算機(jī)仿真和實(shí)地測試。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)整體設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，能夠完成一定的測溫任務(wù)，具有較高的推廣價值。且系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是該裝置受限于測溫電路的誤差，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)精度有限。