基于單片機控制的熱源自動(dòng)測試儀

        在藥品質(zhì)量監測過(guò)程中，熱源反應的測溫是一項重要內容。藥品檢測有其特殊性，對測試系統的精度、穩定性、一致性和線(xiàn)性度等指標有著(zhù)較高的要求。傳統老式儀器大多是各類(lèi)溫度計，測試效率和精度都難如人意。根據現場(chǎng)監測要求，研制了基于單片機控制的熱源自動(dòng)測試儀，實(shí)現了在實(shí)驗室內自動(dòng)巡回測試30路熱源，滿(mǎn)足了現場(chǎng)測溫準確穩定的高標準要求，成功地完成了藥檢實(shí)驗室測試儀器的更新?lián)Q代。 

       1　測試儀器系統組成與工作原理 

　　本測試儀器的工作原理圖如圖1所示，對多點(diǎn)測試的熱源數據經(jīng)多路轉換開(kāi)關(guān)，送入儀器放大器實(shí)現差值放大后，用V/F轉換器將電壓信號轉換成一定頻率的脈沖信號，送入8051單片機的T0口，T0為計數器，T1作為定時(shí)器，在定時(shí)時(shí)間內接受脈沖信號，通過(guò)V/F轉換器實(shí)現了高精度的A/D轉換，最后將數據送入8051進(jìn)行分析處理，配合輸入與顯示模塊電路完成多點(diǎn)溫度的顯示、監測、預警和打印等功能。 

　　為了保證儀器測溫的精度、穩定性和線(xiàn)性度等指標，在硬件上主要采取了2個(gè)方面的措施。一方面是選擇合適的溫度傳感器，溫度傳感器的參數性能，是整機性能能否達到設計要求的關(guān)鍵。作為計量?jì)x器不宜選用一般的PN結溫度傳感器，因為其測溫精度、穩定性、線(xiàn)性度和一致性都相對較差，不能滿(mǎn)足設計的要求。這里選用了集成溫 度傳感器AD590KH，其測溫精度為0．1℃，測溫分辨率為0．01℃，非線(xiàn)性度在0～150℃范圍小于0．5％，其參數性能保證了現場(chǎng)采集的熱源數據轉換成電壓信號后的數據精度、穩定性和線(xiàn)性度均高于計量標準。此外，集成溫度傳感器AD590具有一致性較好特點(diǎn)，用戶(hù)在儀器使用一定時(shí)間后，可方便地自行更換探頭。另一方面，在信號選擇、傳送、放大和A/D轉換的過(guò)程中，不可避免地要引入一些干擾，使數據產(chǎn)生一定的誤差。為了確保儀器整機性能指標符合計量標準要求，對儀器前向通道的結構，器件性能參數指標的選擇上都提出了較高的要求，在軟件設計上，采用了數字濾波與線(xiàn)性軟件校正等手段。 

　　如圖1所示，30路溫度傳感器AD590KH經(jīng)2片模擬開(kāi)關(guān)4067構成30選1的熱源數據選擇器，通過(guò)8051單片機的P1口的P1．0～P1．4編程控制30路信號的通斷，使30路熱源數據依次送入儀器放大器AD524，逐一實(shí)現差值放大。  
   
　　儀器設計要求測溫分辨率為0．01℃，測溫范圍為30～40℃，放大器輸出電壓范圍為0～10 V。由于系統對測溫參數性能要求很高，為了達到設計標準，放大器采取對信號進(jìn)行差值放大，差值放大的增益越高，儀器測溫輸出結果的分辨率和靈敏度就越高，這里把AD524的增益設定為100倍。把30℃溫度的測溫電壓值作為高性能基準電壓源LM399的基準電壓值Vr接到儀器放大器AD524的反相輸入端，作為測溫零刻度參考點(diǎn)(LM399的零漂和失調電壓均小于5 PPM/℃)，儀器放大器同相端接實(shí)際現場(chǎng)測器輸入電壓變化為10 mV，輸出電壓變化為1 V；溫度每變化0．1℃，儀器放大器輸入電壓變化為1 mV，輸出電壓變化為100 mV；溫度每變化0．01℃，儀器放大器輸入電壓變化為0．1 mV，輸出電壓變化為10 mV。 

　　作為一個(gè)高性能的計量?jì)x器，對放大器增益的穩定性、失調電壓、零漂和非線(xiàn)性失真等參數要求極高，不宜于選用一般精度的運放作為放大器，否則可能由于運放對信號放大這一環(huán)節帶來(lái)的誤差，使儀器的參數指標性能下降，達不到計量標準。本儀器選用了高性能參數的AD524作為儀器放大器，AD524的零漂、失調電壓和非線(xiàn)性失真等參數指標值極小，使AD524在放大信號過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，在本儀器所要求性能參數的數量級上可忽略不計。 

       2　V/F轉換 

　　系統使用LM331作為V/F轉換器，把AD524輸出的0～10 V電壓，轉換成0～100 kHz頻率的脈沖信號，送入8051單片機的T0口。測量溫度數據與V/F轉換后的脈沖信號頻率成線(xiàn)性正比關(guān)系，溫度越高，儀器放大器輸出的電壓越高，V/F轉換器輸出的頻率值越高。溫度為0℃時(shí)，儀器放大器輸出的電壓為0 V，V/F轉換后的頻率值為0 kHz；溫度為40℃時(shí)，儀器放大器輸出的電壓為10 V，V/F轉換后的頻率值為100 kHz。用V/F轉換器實(shí)現A/D轉換，消除了轉換后的數據在送入單片機過(guò)程中的干擾，并且通過(guò)調整T1口的定時(shí)時(shí)間，改變T0口計數器接受脈沖的數量，可改變A/D轉換的位數。本系統把T1口的定時(shí)時(shí)間設定為100 ms，使V/F轉換器相當于14 b的A/D轉換器。通過(guò)增大T1口的定時(shí)時(shí)間，提高了A/D轉換的位 數，進(jìn)而提高了系統測溫數據的精度和分辨率。為了更好地改善儀器性能，把定時(shí)時(shí)間T1增大n倍(n為正整數)，將T0口接受的脈沖數據除以n，以實(shí)現軟件濾波。 

        此外，本測試儀配有鍵盤(pán)輸入及液晶顯示模塊，使得儀器配置完善，用戶(hù)操作方便可靠。 

       3　系統軟件 

　　測溫系統軟件用MCS-51系列匯編語(yǔ)言編制。圖2是系統軟件的程序流程圖。
4　結　語(yǔ) 

　　實(shí)踐表明，基于上述思路構建的測試系統是正確的、可行的，近半年的時(shí)間研制出了該儀器，并使其在以后的穩定運行中滿(mǎn)足了設計要求。在系統允許一個(gè)探頭測量溫度數據時(shí)間為幾秒時(shí)，使用V/F轉換器，既可以降低儀器成本，又提高了系統性能。 

         參考文獻 

［1］何立民．單片機應用系統設計——系統配置與接口技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990． 
［2］李朝青．單片機原理與接口技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．