一類弱購價大功效的自動化分析儀器預設
一、總體設計
該智能溫控儀表的主要設計目標如下：
輸入傳感器（通過參數選擇） ：熱電偶- K、E、J、T分度；熱電阻- Pt100、Cu100分度。基本誤差： 0. 5級。永久性存儲：失電后仍能將數據值和參數保存。
據此設計出整機控制原理圖如1.
整套控制儀表由測溫部分、冷端補償測量部分、開關通道選擇、信號轉換部分、數據存儲部分、單片機及顯示/鍵處理部分組成。以下逐個模塊進行設計分析。
二、硬件電路設計
（一）熱電偶信號測量
熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的一種溫度器件，它的主要特點是測溫范圍寬，性能比較穩定，同時結構簡單、動態響應好。
我們采用標準的儀表放大電路對熱電偶信號進行采樣檢測，如2所示。儀表放大電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比的特性，使用差分放大電路，由于電路的對稱性，可有效抑制零點漂移。
TC_Vout = R4 R3（1 + 2R1 R2） < （TC_U in + ） - （ TC_U in - ） >
（二）冷端補償測量
熱電偶冷端的溫度對熱電勢的輸出存在影響，必須進行相應的補償。冷端溫度補償的方法很多，如控制冷端溫度、電路補償法等，但應用結構復雜，使用不方便。我們這里利用二極管PN結正向壓降隨溫度變化特性，構造簡易的冷端補償測量電路，如3所示。二極管與熱電偶的冷端同置于等溫銅塊接線板中，以保證在同一溫度場，但它們的接線與銅塊是絕緣的。
TSW _Vout = R_SW2 + R_SW3 R_SW3 VSW in
（三）熱電阻信號測量
熱電阻靈敏度高、穩定性強，互換性及準確性比較好，且不需要冷端補償，但測溫范圍窄，廣泛用于中溫范圍（ - 200℃～650℃）測量中。
熱電阻信號典型測量電路如4所示。
TR_Vout =VRef（R1 R2 + Rt - R3 R1 + R3）
（四）多路選擇開關
該智能溫控儀表可根據參數設置分別選用不同的信號測量電路。如果選擇傳感器為熱電偶時，由單片機控制分時選用“熱電偶信號測量電路”和“冷端補償測量電路”進行溫度測量信號處理；而如果選用傳感器為熱電阻時，由單片機控制僅僅選用“熱電阻信號測量電路”即可進行溫度測量信號處理。這里我們選用模擬開關CD4016構成多路選擇通道，配合單片機控制實現多種傳感器信號的檢測。
（五） V /F變換
對于檢測到的溫度傳感器信號，傳統處理方法多為采用A /D轉換電路，把模擬電壓信號轉為數字信號送給單片機處理。選用A /D轉換電路，需綜合考慮性價比問題，我們所設計的溫控儀表，要求最高測量溫度1600℃，基本誤差0. 5級，需要的數字量表示范圍最大應為3200，配套選擇A /D轉換芯片至少應12位才可以滿足設計要求，而10位以上的A /D變換芯片已經價格不菲了。為此，筆者轉變思路，運用V /F變換技術，把檢測到的溫度傳感器模擬電壓信號轉變為一定的脈沖頻率信號，利用單片機的定時/計數器對此脈沖頻率信號進行統計處理，達到A /D轉換的目的。此方法進行A /D轉換的速度不如真正的A /D轉換芯片，但考慮到溫度信號的滯后性及溫度控制對實時性要求不是很高的特點，采用此方法應當是完全可行的。
V /F變換芯片采用LM331，具備如下主要特點：
滿量程頻率范圍： 1～100KHz；最大非線性度： 0. 01% ；溫度穩定性：<±50ppm /℃。
采用如圖5所示電路，輸出頻率公式如下：
fout = - V in 2. 09V 3 Rs Rin 3 1 RtCt
筆者針對此電路通過實際調試，得到滿量程輸出95KHz的脈沖輸出信號，假設每1秒鐘對溫度信號采樣一次，最大采樣數據值可達95000，完全可以滿足設計的分辨率要求。
（六）單片機的選擇
根據“項目式教學”的特點，筆者聯系學生所學的單片機應用知識，選用A tmel公司生產的MCS - 51系列單片機AT89C52。該單片機具有8KB的Flash，可用于存儲應用程序和用戶數據；另有256字節的內部RAM和3個16位的定時/計數器，資源豐富，指令系統完全兼容于MCS - 51，學生可以直接編程使用。
（七）通用參數的保存
隨著半導體存儲技術的發展，串行EEPROM應用越來越廣泛，我們日常生活中所接觸的各類IC卡，基本都采用了串行EEPROM，它的價格也非常低廉。所以，筆者在此采用A t 2 mel公司生產的AT24C01用來保存針對儀表所設置的各項應用參數。
AT24C01內含128字節的存儲單元，對于溫控儀表的參數設置與保存足夠使用了。
（八）人機界面設計
溫控儀表有它的應用特殊性，如要求讀數清晰、可遠距離觀察等。所以絕大多數的儀表設計采用高亮度數碼管，操作選用防塵保護的觸摸式按鍵。我們在此也不例外，同樣以數碼管和輕觸按鍵作為人機交互界面的載體。關于數碼管的顯示及按鍵的處理在各種單片機應用教材中都有實例，學生可參照設計編程。
（九）通訊接口
利用單片機AT89C52的串行通訊接口UART，采用MAXIM公司的MAX487，可以構成符合RS485協議規范的通訊接口，使本溫控儀表具備標準的工業串行總線通訊功能，可用于各種分布式的工業控制網絡。
三、軟件設計思想
本溫控儀表的軟件設計總體上可分為三個部分：
（一）傳感器信號的處理與溫度的計算1.
傳感器信號的處理如前所述，單片機最終得到的傳感器數據為連續的脈沖信號，利用單片機的定時/計數器可測量計算該脈沖信號的頻率，而V /F變換電路的最大非線性度只有0. 01% ，據此可對傳感器信號進行如下處理：首先對儀表進行標準校對：在熱電偶或熱電阻輸入端接入標準電壓信號或電阻，然后通過儀表操作選定該輸入標準電壓或電阻值為基準。此時，由單片機程序將此基準值和該基準值所對應的脈沖頻率記憶至EEPROM中。
正常檢測過程中，可根據當前實際的脈沖頻率和儀表所記憶的基準脈沖頻率及基準信號值（電壓值或電阻值） ，計算出當前傳感器信號的電壓值或電阻值，從而巧妙避免了前述電路介紹中的各類公式計算。
2.溫度的計算查閱熱電偶或熱電阻的分度表可知，熱電勢或電阻值與溫度值的對應關系為3次多項式，是非線性的。根據上述“傳感器信號的處理”中所得到的當前傳感器信號的電壓值或電阻值來直接計算溫度值對于MCS - 51系列單片機來說幾乎是不可能的，即使進行算法優化后再計算也將花費單片機非常多的資源和處理時間。所以筆者充分利用單片機AT89C52所具備的大容量Flash，把熱電偶和熱電阻的分度表保存在單片機中，根據上述“傳感器信號的處理”中所得到的當前傳感器信號的電壓值或電阻值來查表得出當前傳感器檢測點的溫度值，非常精確，免去了大量的計算，節省了單片機的軟件資源和時間。
（二）溫度的控制與調節采用經典的PID控制算法可滿足絕大部分溫度控制領域的要求。至于當前很多智能溫控儀表所具備的自動學習功能及模糊控制算法，筆者也進行了應用實踐，鑒于篇幅，不在此描述，以后另行寫出與各位同行探討。
（三）人機界面的設計包括參數的設置、按鍵操作的處理、顯示的風格、串行EEPROM的編程、RS485通訊接口的實現等。本著操作方便、簡潔大方、參數明了、容易記憶的原則進行編程設計。中國糧油儀器網 http://m.51wenwangwen.com/
