一、总体设计

该智能温控仪表的主要设计目标如下：

输入传感器（通过参数选择） ：热电偶- K、E、J、T分度；热电阻- Pt100、Cu100分度。基本误差： 0. 5级。永久性存储：失电后仍能将数据值和参数保存。

据此设计出整机控制原理图如1.

整套控制仪表由测温部分、冷端补偿测量部分、开关通道选择、信号转换部分、数据存储部分、单片机及显示/键处理部分组成。以下逐个模块进行设计分析。

二、硬件电路设计

（一）热电偶信号测量

热电偶是温度测量中应用最广泛的一种温度器件，它的主要特点是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单、动态响应好。

我们采用标准的仪表放大电路对热电偶信号进行采样检测，如2所示。仪表放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比的特性，使用差分放大电路，由于电路的对称性，可有效抑制零点漂移。

TC_Vout = R4 R3（1 + 2R1 R2） < （TC_U in + ） - （ TC_U in - ） >

（二）冷端补偿测量

热电偶冷端的温度对热电势的输出存在影响，必须进行相应的补偿。冷端温度补偿的方法很多，如控制冷端温度、电路补偿法等，但应用结构复杂，使用不方便。我们这里利用二极管PN结正向压降随温度变化特性，构造简易的冷端补偿测量电路，如3所示。二极管与热电偶的冷端同置于等温铜块接线板中，以保证在同一温度场，但它们的接线与铜块是绝缘的。

TSW _Vout = R_SW2 + R_SW3 R_SW3 VSW in

（三）热电阻信号测量

热电阻灵敏度高、稳定性强，互换性及准确性比较好，且不需要冷端补偿，但测温范围窄，广泛用于中温范围（ - 200℃～650℃）测量中。

热电阻信号典型测量电路如4所示。

TR_Vout =VRef（R1 R2 + Rt - R3 R1 + R3）

（四）多路选择开关

该智能温控仪表可根据参数设置分别选用不同的信号测量电路。如果选择传感器为热电偶时，由单片机控制分时选用“热电偶信号测量电路”和“冷端补偿测量电路”进行温度测量信号处理；而如果选用传感器为热电阻时，由单片机控制仅仅选用“热电阻信号测量电路”即可进行温度测量信号处理。这里我们选用模拟开关CD4016构成多路选择通道，配合单片机控制实现多种传感器信号的检测。

（五） V /F变换

对于检测到的温度传感器信号，传统处理方法多为采用A /D转换电路，把模拟电压信号转为数字信号送给单片机处理。选用A /D转换电路，需综合考虑性价比问题，我们所设计的温控仪表，要求最高测量温度1600℃，基本误差0. 5级，需要的数字量表示范围最大应为3200，配套选择A /D转换芯片至少应12位才可以满足设计要求，而10位以上的A /D变换芯片已经价格不菲了。为此，笔者转变思路，运用V /F变换技术，把检测到的温度传感器模拟电压信号转变为一定的脉冲频率信号，利用单片机的定时/计数器对此脉冲频率信号进行统计处理，达到A /D转换的目的。此方法进行A /D转换的速度不如真正的A /D转换芯片，但考虑到温度信号的滞后性及温度控制对实时性要求不是很高的特点，采用此方法应当是完全可行的。

V /F变换芯片采用LM331，具备如下主要特点：

满量程频率范围： 1～100KHz；最大非线性度： 0. 01% ；温度稳定性：<±50ppm /℃。

采用如图5所示电路，输出频率公式如下：

fout = - V in 2. 09V 3 Rs Rin 3 1 RtCt

笔者针对此电路通过实际调试，得到满量程输出95KHz的脉冲输出信号，假设每1秒钟对温度信号采样一次，最大采样数据值可达95000，完全可以满足设计的分辨率要求。

（六）单片机的选择

根据“项目式教学”的特点，笔者联系学生所学的单片机应用知识，选用A tmel公司生产的MCS - 51系列单片机AT89C52。该单片机具有8KB的Flash，可用于存储应用程序和用户数据；另有256字节的内部RAM和3个16位的定时/计数器，资源丰富，指令系统完全兼容于MCS - 51，学生可以直接编程使用。

（七）通用参数的保存

随着半导体存储技术的发展，串行EEPROM应用越来越广泛，我们日常生活中所接触的各类IC卡，基本都采用了串行EEPROM，它的价格也非常低廉。所以，笔者在此采用A t 2 mel公司生产的AT24C01用来保存针对仪表所设置的各项应用参数。

AT24C01内含128字节的存储单元，对于温控仪表的参数设置与保存足够使用了。

（八）人机界面设计

温控仪表有它的应用特殊性，如要求读数清晰、可远距离观察等。所以绝大多数的仪表设计采用高亮度数码管，操作选用防尘保护的触摸式按键。我们在此也不例外，同样以数码管和轻触按键作为人机交互界面的载体。关于数码管的显示及按键的处理在各种单片机应用教材中都有实例，学生可参照设计编程。

（九）通讯接口

利用单片机AT89C52的串行通讯接口UART，采用MAXIM公司的MAX487，可以构成符合RS485协议规范的通讯接口，使本温控仪表具备标准的工业串行总线通讯功能，可用于各种分布式的工业控制网络。

三、软件设计思想

本温控仪表的软件设计总体上可分为三个部分：

（一）传感器信号的处理与温度的计算1.

传感器信号的处理如前所述，单片机最终得到的传感器数据为连续的脉冲信号，利用单片机的定时/计数器可测量计算该脉冲信号的频率，而V /F变换电路的最大非线性度只有0. 01% ，据此可对传感器信号进行如下处理：首先对仪表进行标准校对：在热电偶或热电阻输入端接入标准电压信号或电阻，然后通过仪表操作选定该输入标准电压或电阻值为基准。此时，由单片机程序将此基准值和该基准值所对应的脉冲频率记忆至EEPROM中。

正常检测过程中，可根据当前实际的脉冲频率和仪表所记忆的基准脉冲频率及基准信号值（电压值或电阻值） ，计算出当前传感器信号的电压值或电阻值，从而巧妙避免了前述电路介绍中的各类公式计算。

2.温度的计算查阅热电偶或热电阻的分度表可知，热电势或电阻值与温度值的对应关系为3次多项式，是非线性的。根据上述“传感器信号的处理”中所得到的当前传感器信号的电压值或电阻值来直接计算温度值对于MCS - 51系列单片机来说几乎是不可能的，即使进行算法优化后再计算也将花费单片机非常多的资源和处理时间。所以笔者充分利用单片机AT89C52所具备的大容量Flash，把热电偶和热电阻的分度表保存在单片机中，根据上述“传感器信号的处理”中所得到的当前传感器信号的电压值或电阻值来查表得出当前传感器检测点的温度值，非常精确，免去了大量的计算，节省了单片机的软件资源和时间。

（二）温度的控制与调节采用经典的PID控制算法可满足绝大部分温度控制领域的要求。至于当前很多智能温控仪表所具备的自动学习功能及模糊控制算法，笔者也进行了应用实践，鉴于篇幅，不在此描述，以后另行写出与各位同行探讨。

（三）人机界面的设计包括参数的设置、按键操作的处理、显示的风格、串行EEPROM的编程、RS485通讯接口的实现等。本着操作方便、简洁大方、参数明了、容易记忆的原则进行编程设计。中国粮油仪器网 http://www.grainyq.com/