基于T-F變換的多點(diǎn)流體溫度測量系統

摘要：針對一般測溫方法在進(jìn)行流體多點(diǎn)溫度測量時(shí)存在系統復雜，準確度和速度難以兼顧的問(wèn)題，提出了一種基于溫度-頻率(T-F)變換的測量系統。該系統使用PIC18F6722單片機控制MOS管開(kāi)關(guān)陣列，使多個(gè)測點(diǎn)的熱敏電阻分別與TLC555構成振蕩電路，將測點(diǎn)的溫度變化轉化為振蕩頻率的變化，使用8253計數芯片時(shí)TLC555的輸出信號進(jìn)行測量并產(chǎn)生中斷，單片機讀取8253計數值反演為測點(diǎn)溫度。實(shí)驗表明，測點(diǎn)數目增多不會(huì )增加測量系統的復雜程度，通過(guò)設置8253的計數初值，可以在不改變硬件的情況下靈活選擇測量的準確度和速度，滿(mǎn)足了流體多點(diǎn)精確快速測溫的需求。同時(shí)該系統具備簡(jiǎn)潔實(shí)用，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：溫度測量；多點(diǎn)；溫度頻率變換；熱敏電阻；TLC555；8253計數器

溫度是流體力學(xué)中的重要變量，不僅影響流體介質(zhì)的物理性質(zhì)，更驅動(dòng)著(zhù)對流、混合等物理過(guò)程，因此需要快速、準確、無(wú)擾或微擾地測量流體中的溫度，特別是為了了解全場(chǎng)流體的溫度分布，就需要對多個(gè)測點(diǎn)同時(shí)測量。目前采用的多點(diǎn)溫度測量方法可分為接觸式和非接觸式。接觸式方法將溫度傳感器的電阻等電學(xué)信號通過(guò)AD電路采集后轉換為溫度信號，測量精度高，常作為其他測量方法標定的標準值。因每個(gè)溫度傳感器都要占用一路AD采集通道，當測點(diǎn)增多時(shí)，采集系統的成本大幅增加，可維護性變差。用集成溫度傳感器如DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)測溫的方法已見(jiàn)報導，采用單總線(xiàn)通信使采集電路大為簡(jiǎn)化，然而采集電路受測點(diǎn)溫度影響，測量精度有限，集成溫度傳感器的封裝尺寸較大，熱響應時(shí)間長(cháng)，不適于快速測量，且對流場(chǎng)的干擾較大。非接觸式溫度測量如紅外熱成像方法和示溫染料方法能夠高密度的測量或顯示溫度場(chǎng)分布，此類(lèi)方法受于背景場(chǎng)和染料性質(zhì)的影響，測溫的相對精度較高，絕對精度不能滿(mǎn)足流體定量研究的需要。
為了克服現有測溫方法不能完全滿(mǎn)足流體多點(diǎn)測溫需要的缺點(diǎn)，提出了一種用MOS管控制快速響應熱敏電阻陣列與TLC555構成溫度-頻率(T-F)變換電路，結合單片機PIC18F6722和8253計數芯片精確測量頻率并反演為測點(diǎn)溫度，完成了測溫系統的軟硬件設計，能夠滿(mǎn)足流體多點(diǎn)精確測溫的需要。

1 總體設計
PIC18F6722是Microchip公司生產(chǎn)的增強型單片機，集成了豐富的硬件資源，包括兩個(gè)增強USART，一個(gè)SPI總線(xiàn)端口，54個(gè)I／O引腳，4個(gè)外部中斷，3 936字節的SRAM，128 K字節的FLASH程序存儲空間和1 024字節的EEPROM，可以方便的與外設連接和通信。
8253是Intel公司的微型機外圍芯片，內含三個(gè)獨立的16位可預置減法計數器和一個(gè)并行數據端口，可分別設置三個(gè)計數器的工作方式和讀寫(xiě)計數值。SST25VF016是Silicon公司生產(chǎn)的16 Mbit SPI接口的串行FLASH存儲器，可以在失電的情況下長(cháng)期保存測量數據。TLC555是德州儀器生產(chǎn)的功能完全兼容NE555的定時(shí)器芯片，具有更快的響應速度，最高工作頻率可達2MHz。

計數通道2的計數值△N2與η的乘積得到校正后的計數值△N2*，用△N2*計算測點(diǎn)溫度即可校正系統漂移。
通信和存儲電路如圖5所示。通信電路使用Maxim公司的MAX485芯片將PIC18F6722的串口1轉換為半雙工RS485總線(xiàn)，用RC0引腳控制MAX485的收發(fā)工作狀態(tài)，實(shí)現多個(gè)測量單元遠距離可靠通信。存儲電路使用PIC18F6722的SPI端口，因SST25VF106是3．3 V工作電壓，將PIC18F6722的SD0和SCK用電阻分壓后連接，SDI引腳是輸入腳，可直接與SST25VF106的SO引腳連接。

使用MOS管開(kāi)關(guān)陣列控制熱敏電阻陣列，實(shí)現多點(diǎn)的快速精確測溫，當測點(diǎn)增多時(shí)，測量系統的復雜度無(wú)顯著(zhù)增加。采用8253硬件計數電路，PIC18F6722只需對8253的寄存器值進(jìn)行配置和讀寫(xiě)，即可在測量精度和測量速度間根據實(shí)際情況靈活選擇，降低了軟件開(kāi)發(fā)難度，系統的維護升級十分方便。

3 軟件設計
PIC18F6722是多點(diǎn)流體溫度測量系統的主控制器，需要完成各硬件的初始化、硬件連接的檢測、各測點(diǎn)溫度的測量、測量數據的傳輸與存儲等功能。軟件采用模塊化的設計方法，用C語(yǔ)言編寫(xiě)，使用MPLAB IDE編譯器編譯，包括主程序、硬件初始化程序、硬件檢測程序、測溫中斷服務(wù)程序、通信和存儲程序等。軟件的流程圖如圖6所示。

主程序主要完成初始化各系統變量，與上位機通信決定系統硬件的工作方式，處理其他系統事務(wù)和各種異常。硬件初始化程序主要完成設置PIC18F6722各I／O口的工作方式，設置8253各寄存器的值。硬件檢測程序主要測試通信電路的收發(fā)功能是否正常，存儲電路的讀寫(xiě)功能是否正常，振蕩電路是否能正常工作以及熱敏電阻陣列與MOS管開(kāi)關(guān)陣列與振蕩電路的連接是否正常。
在8253的OUT0引腳下降沿觸發(fā)PIC18F6722的RB0引腳上的外部中斷時(shí)，執行測溫中斷服務(wù)程序，在程序中關(guān)斷上一測點(diǎn)對應的MOS管，讀取8253中計數通道1、2的計數值，打開(kāi)下一測點(diǎn)對應的MOS管，用計數通道1的值計算漂移系數校正系統漂移，再將計數器2的計數值轉化為測點(diǎn)溫度。

4 系統標定與應用
利用圖2中電容CT的充放電時(shí)間常數可以計算測點(diǎn)溫度與TLC555輸出頻率的對應關(guān)系，但在實(shí)際應用中由于各器件的制造誤差，很難直接由對應關(guān)系計算測點(diǎn)溫度。系統的直接測得量是8253的計數值，校正系統漂移后只有一個(gè)量(△N2*／N0)，通過(guò)初始標定獲得溫度測量范圍內每隔0．2K對應的(△N2*／N0)，將其順序保存在FLASH存儲器SST25VF016中。在測量時(shí)，PIC18F6722按照線(xiàn)性插值方法將8253的計數值轉化為測點(diǎn)溫度。因為測量系統包含系統漂移校正機制，故系統標定過(guò)程只需執行一次便可保證長(cháng)期穩定的測量精度。
具體應用中使用PIC18F6722的空閑I／O口實(shí)現了12x12陣列共144個(gè)熱敏電阻的多點(diǎn)測量。TLC555在溫度為298K時(shí)的振蕩頻率約為2 kHz，經(jīng)過(guò)系統標定后，在280～320 K的范圍內測量精度優(yōu)于0．05 K，單點(diǎn)測量時(shí)間約為7 ms，全場(chǎng)測量時(shí)間約為1 s，滿(mǎn)足了流體實(shí)驗中對多點(diǎn)溫度高精度快速測量的需要。該測量系統已成功應用于水平溫差對流的實(shí)驗研究中。

5 結束語(yǔ)
本系統實(shí)現了流體介質(zhì)內多點(diǎn)精確快速測溫的功能，測點(diǎn)數目增多時(shí)系統的復雜度基本不變。硬件電路將測點(diǎn)溫度變化轉化為T(mén)LC555輸出頻率的變化，并用8253計數器進(jìn)行精確計數，單片機控制器只需讀寫(xiě)8253寄存器即可計算測點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)化了軟件設計，方便系統的維護升級，單片機控制器改變8253的計數初值，不改動(dòng)硬件即可在測量速度和準確度間靈活選擇。系統實(shí)現了漂移校正功能，省去了繁瑣的多次標定過(guò)程，能夠在不同的使用環(huán)境中長(cháng)期穩定的測量。