溫度測控技術在中藥加速儀中的應用

本文介紹了中藥加速儀利用單片機和熱敏電阻設計低成本溫度測控系統(tǒng)的一種溫度測量比值查表方法和溫度脈沖加熱控制法，并對硬件系統(tǒng)原理和軟件設計流程作了簡要描述。

1. 引言

在現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)應用中，經(jīng)常對系統(tǒng)的溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量等參數(shù)進行測量和控制。不僅在各行各業(yè)，而且在大、中、小型控制系統(tǒng)中采用溫度測控技術。熱敏電阻有反應靈敏、準確、體積小、成本低、穩(wěn)定性好等特點，利用單片機和熱敏電阻不僅可以解決對溫度精確測量的技術問題，還可通過可控硅實現(xiàn)對溫度的精確控制。本文以某中藥加速儀的設計應用進行闡明。

2. 硬件電路設計

以熱敏電阻為測量元件的At89C2051單片機溫度測控系統(tǒng)電路原理圖略可向作者索取。本文僅對中藥加速儀溫度測量與控制電路部分進行描述。

2.1溫度測量元件

熱敏電阻是一種新型半導體感溫元件，具有體積小、重量輕、熱感應快、靈敏度高、結構穩(wěn)定、可靠性高、阻值精度高、一致性好的優(yōu)點。熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)兩種類型。

負溫度系數(shù)熱敏電阻具有負的電阻溫度特性，當溫度升高時，電阻值減小;當溫度降低時，電阻值增大，其阻值與溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性較大，在實際使用中要進行線性化處理，但比較復雜，一般只使用線性度較好的一段。如果測出熱敏電阻的阻值，就可以間接的算出對應的溫度值。MF52-3950型熱敏電阻工作溫度：-40℃～100℃;時間常數(shù)＜=3.2S;耗散系數(shù)＞=0.7 mW/℃;B常數(shù)：3950k。中藥加速儀的工作溫度為40℃～60℃;溫度誤差范圍-2℃～2℃，根據(jù)以上情況溫度測量元件選用MF52-3950型NTC熱敏電阻器。

2.2溫度測量電路與原理

用熱敏電阻測溫的硬件連接見圖1。

圖1中T1為測量點;TP2（P1.1）為參考電阻R3充放電端;TP1（P1.0）為熱敏電阻網(wǎng)絡充放電端。

將熱敏電阻RT與R2固定電阻并聯(lián)，當溫度改變時，RT阻值改變。

（1）使At89C2051單片機P1.0（TP1）輸出高電平（H）、P1.1（TP0）輸出低電平（L），此時電阻R1、R2、RT與電容C1構成RC電路并充電。

（2）當測試點T1的電壓達到三極管的導通電壓時，三極管導通，測試點T2變?yōu)榈?，?9C2051單片機檢測到測試點T2變?yōu)榈碗娖綍r記錄充電時間t1。

圖1 熱敏電阻測溫

（3）使At89C2051單片機P1.0（TP1） 輸出低電平（L）、P1.1（TP0）輸出低電平（L）， 讓電容C1放電。

（4）放電完畢后，使At89C2051單片機P1.0（TP1） 輸出低電平（L）、P1.1（TP0） 輸出高電平（H），此時電阻R3與電容C1構成RC電路并再次充電。

（5）當At89C2051單片機再次檢測到測試點T2變?yōu)榈碗娖綍r記錄充電時間t2。

采用充電的辦法分別測出參考電阻R3的放電時間t2, 熱敏電阻器電阻網(wǎng)絡Rw的放電時間t1。則有下面的公式：

Rw=t1×R3 /t2 式中Rw=R1+（RT+Rw）/ （RT×Rw）

K= Rw / R3= t1 /t2

參考電阻R3在中藥加速儀的環(huán)境工作溫度內變化微小，可忽略不計。

圖2 主程序流程圖

熱敏電阻溫度與阻值的關系有：R=R25 X expB｛1/（T+273）-1/（25+273）｝

其中：T-被測溫度

R25-熱敏電阻25℃時的阻值

B-熱敏電阻B常數(shù)

R-被測溫度下熱敏電阻阻值

通過以上公式，求出熱敏電阻在不同溫度下的阻值，可得到不同溫度下的RT和 Rw阻值表，再求出對應溫度下熱敏電阻網(wǎng)絡Rw與參考電阻比值表，也就是K值表，這樣就得到了不同溫度下K值與溫度的對應表。K值可通過t1、t2求得，通過計算K值查 找對應表，就可得到對應的溫度值。

2.3溫度控制電路

At89C2051單片機對溫度的控制是通過可控硅實現(xiàn)的，如單片機溫度測控系統(tǒng)電路原理圖所示。由At89C2051單片機P3.0發(fā)出控制信號，控制可控硅的通斷就可實現(xiàn)控制溫度的目的。At89C2051只要改變P3.0的接通時間就可調節(jié)溫度的變化。由于中藥加速儀存在熱慣性和時間滯后等特性，為精確控制溫度帶來困難，可通過脈沖加熱控制法控制溫度。即通過測得的溫度與設定溫度的差值大小，分別采用不同寬度的脈沖，控制P3.0的接通時間達到控溫的目的。

圖3 外部中斷0服務子程序流程圖

圖4 定時器0服務子程序流程圖

3.軟件流程設計

3.1主程序流程設計

溫度測控系統(tǒng)的程序設計包括以下幾個部分：

（1）鍵盤掃描、鍵碼識別及溫度顯示;（2）溫度測量與處理;（3）溫度控制;（4）過流保護;（5）出錯告警。

主程序包括At89C2051的初始化、RC電路充放電處理、溫度顯示、過流保護及鍵盤處理。還包括中斷服務程序的初始化、定時器初始化、標志初始化、單片機端口初始化等。

3.2外部中斷0服務子程序

外部中斷0服務子程序溫度測量的主程序，用于執(zhí)行放電操作、啟動定時器1、記錄放電時間、比值計算查表、判定是否有效溫度與熱敏電阻開路或短路。

外部中斷0服務子程序在計算比值時，因為T2/T1值比較小，所以乘以100取整，再進行判斷是否為有效溫度值范圍。在有效值范圍內，通過查表得到測量溫度。當超出有效溫度范圍時，可根據(jù)比值大小判斷熱敏電阻器開路或短路，作出報警處理。

在中藥加速儀設計中采用比值查表法測量藥包的溫度，通過驗證，測量溫度的精度可控制在1℃之內，完全達到設計技術要求。