溫度測控技術(shù)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(shè)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(shè)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(shù)。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(shù)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(shè)計應用進行闡明。

2. 硬件電路設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(nèi)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(guān)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(diào)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(shè)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(shè)計

3.1主程序流程設(shè)計

溫度測控系統(tǒng)的程序設(shè)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(nèi)，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(shè)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(nèi)，完全達到設(shè)計技術(shù)要求。

3.3定時器0服務子程序

定時器0服務子程序包括設(shè)置定時器、加熱控制、定時判斷、設(shè)置充電標志等。根據(jù)測得的溫度與設(shè)定的溫度差值，當溫度差值大于3℃時，采用加熱絲持續(xù)加熱，快速加溫至設(shè)定溫度，程序控制At89C2051單片機P3.0發(fā)出控制信號保持可控硅持續(xù)導通。當溫度差值小于3℃時，由于加熱絲存在熱慣性和時間滯后等特性，防止溫度過沖，采用脈沖加熱，程序控制At89C2051單片機P3.0發(fā)出脈沖控制信號，控制可控硅導通。當溫度差值為0℃時，停止加熱，程序控制At89C2051單片機P3.0發(fā)出控制信號控制可控硅斷開。

通過在中藥加速儀設(shè)計實際應用，采用程序控制脈沖加熱法控制藥包的溫度，通過驗證，設(shè)定溫度與藥包溫度誤差范圍可控制在-2℃～2℃之內(nèi)，完全達到設(shè)計技術(shù)要求。

4.結(jié)束語

利用單片機和熱敏電阻設(shè)計溫度測控系統(tǒng)的溫度測量比值查表法和溫度脈沖加熱控制法，通過在中藥加速儀設(shè)計中的實際應用，已得到充分驗證。At89C2051單片機和熱敏電阻體積小、重量輕、抗干擾性能強、價格低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高、靈活性好、一致性好、對環(huán)境要求不高的優(yōu)點，應用簡單方便。本文的溫度測控系統(tǒng)僅是單片機廣泛應用的一例，相信單片機的應用會越來越廣泛。

本文作者創(chuàng)新點是闡述了利用單片機和熱敏電阻設(shè)計溫度測控系統(tǒng)的溫度測量比值查表法和溫度脈沖加熱控制法，通過在中藥加速儀設(shè)計的實際應用中，精確測量、控制中藥加速儀藥包的溫度。