引 言

傳統(tǒng)的R-T 電阻溫度系數(shù)測定儀是用來研究金屬電阻與其溫度關系的儀器，構造簡單，可通過反復調(diào)節(jié)滑動變阻器實現(xiàn)對銅絲電阻溫度的測量，但不具備維持溫度的功能。近年來，隨著微型計算機技術的迅猛發(fā)展，單片機憑借其價格低、處理能力強、控制簡單、抗干擾能力優(yōu)于一般 CPU 的優(yōu)點， 被廣泛應用于有較高控制精度和較低成本要求的工業(yè)測控系統(tǒng)中，同時采用單片機作為數(shù)字控制器取代模擬控制器 [1]。利用單片機對傳統(tǒng) R-T 溫度系數(shù)測定儀進行改進具有廣闊的應用前景。

1 系統(tǒng)說明

恒溫控制系統(tǒng)分為四個模塊，分別為溫度顯示模塊、溫度測量模塊、用戶設定模塊和加熱控制模塊。本文恒溫控制系統(tǒng)選擇 STC8951 單片機芯片作為主控模塊，選用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 精確測量溫度。為了便于用戶使用，本文恒溫系統(tǒng)選用雙端顯示，將銅絲電阻實時變化的溫度和用戶設定的溫度顯示在兩塊四位 LED 數(shù)碼管上，使效果更加直觀。在溫度控制方面，通過單片機處理 DS18B20 實時測量的溫度與之前按鍵設定的溫度，根據(jù)兩者的差值利用 PWM 調(diào)制技術控制加熱電阻加熱功率和通斷時間比例以實現(xiàn)恒溫控制效果。本文系統(tǒng)在加熱時紅色 LED 指示燈亮，恒溫狀態(tài)時綠色LED指示燈點亮、紅色 LED 指示燈閃爍。系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 主控模塊

本設計主控模塊選用單片機進行控制。單片機是集 CPU， RAM，ROM，I/O 接口與中斷系統(tǒng)等于一體的器件，體積雖小但功能強大，只需要外加電源和晶振就可輕松實現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制 [2]。

本設計選擇宏晶科技有限公司生產(chǎn)的 STC89C51 芯片， 它價格便宜，功能強大，擁有 32 個可編程 I/O 口，4 kB 可編程FLASH 程序存儲區(qū)存儲器可擦寫 10 萬次以上，3 個 16 位定時器 / 計數(shù)器，2 個串行中斷 / 外部中斷 [3]。

2.2 溫度測量模塊

設計的系統(tǒng)采用測量精度較高的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20 是美國達拉斯（DALLAS）公司生產(chǎn)的一款數(shù)字式溫度傳感器 [4]，能夠將溫度這個模擬量進行放大處理轉換為數(shù)字量輸送給單片機芯片，之后單片機芯片對溫度進行分析處理，最終實現(xiàn)對溫度的測量與控制，其具有如下特點：

（1）體積小且封裝形式多樣。

（2）溫度測量范圍為 -55 ℃～125 ℃，-10 ℃～ 85 ℃時測量精度需確保為 0.5 ℃。

(3) 溫度測量值轉化為數(shù)字量的轉換時間非常短，9位溫度值轉換時間為 93.75 ms。

(4) DS18B20能夠運用1-wire總線技術（將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合并為一根信號線），只需單片機的一個 I/O口即可實現(xiàn)雙向通信，無需 A/D轉化器，硬件電路簡單。

(5) 工作電源為 3～5V，能夠在寄生電源模式下工作，無需額外電源。

2.3 溫度顯示模塊

設計系統(tǒng)采用 LED 數(shù)碼管作為顯示元件，它具有高亮度、壽命長、成本低廉等特點，是電子設備的常用顯示器件。本設計的溫控系統(tǒng)測溫范圍為 40 ℃～ 80 ℃，因此選用 4 位 8 段數(shù)碼管。

2.4 溫度設定模塊

本設計采用兩個獨立式按鍵供用戶選擇，分別為加鍵和減鍵。獨立式按鍵邏輯編程簡單，只用了 2 個單片機 I/O 口， 有效節(jié)省了資源。

2.5 溫度控制模塊

采用場效應管控制 10 V 直流電源給 10 W/10 Ω 的水泥電阻進行加熱。通過水泥電阻散發(fā)的熱量加熱銅絲電阻，銅絲電阻不斷吸收熱量最終與當前環(huán)境溫度一致，由此實現(xiàn)恒溫控制。由單片機輸出 PWM 波，根據(jù)設定溫度與測量溫度之差決定輸出功率大小，利用高低電平控制場效應管的通斷，從而控制水泥電阻加熱。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用 C 語言編程，通過對單片機編程實現(xiàn)對各外圍電路的控制。主程序首先對各子函數(shù)進行初始化 ；然后調(diào)用讀取溫度、顯示溫度、按鍵設定子程序 ；最后使用 PWM 脈沖調(diào)制技術控制對加熱的通斷，最終實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)溫度的效果。

(1) 在溫度測量方面，DS18B20的操作順序必須按照嚴格的時隙來控制；

(2) 在設定與顯示方面，通過外部中斷控制按鍵子程序，通過定時器中斷控制掃描數(shù)碼管并顯示 ；

(3) 在溫度控制方面， 程序按照一定的過程執(zhí)行：當實時測量的溫度小于設定溫度時，控制 PWM 波導通場效應管，水泥電阻加熱，紅色指示燈亮 ；當實時測量的溫度達到設定溫度減 1℃時，再次判斷實時溫度是否達到設定溫度， 若達到單片機便控制 PWM波場效應管關斷，停止加熱綠色指示燈亮，否則繼續(xù)加熱紅色指示燈亮。若紅色指示燈處于閃爍狀態(tài)，則表明溫度場為恒溫狀態(tài)，即銅絲電阻處于恒溫狀態(tài)。

4 仿真與調(diào)試

在軟件調(diào)試方面，目前開發(fā)者們大多使用流行的 MCS-51系列單片機開發(fā)軟件——Keil。Keil 提供了完整的開發(fā)方案，包括宏匯編、C編譯器、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器，它通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些組合在一起。本設計選用 Keil軟件的原因在于 KeilC51標準 C編譯器為 51系列單片機的軟件開發(fā)提供了 C語言環(huán)境并保留了匯編代碼高效、快速的特點 [5]。KeilC51軟件能夠提供非常豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，生成目標代碼的效率高。

在電路仿真方面，本設計采用Proteus軟件，它不僅具有與其他 EDA工具一樣的 PCB自動或人工布線、原理布圖和電路仿真功能，還具有互動電路仿真、應用微處理器在原理圖的虛擬原型上進行編程及軟件源碼實時調(diào)試的獨特功能 [2]。

本設計通過Proteus 軟件實現(xiàn)電路圖的繪制，之后結合Keil 軟件進行調(diào)試。

5 結 語

本文設計的系統(tǒng)將傳統(tǒng)溫度系數(shù)測定儀常用的模擬式溫度控制改進為數(shù)字式溫度控制，不僅實現(xiàn)了對銅絲電阻溫度的實時、有效測量，還能夠根據(jù)用戶設定的溫度數(shù)值調(diào)節(jié)和控制加熱裝置，使銅絲電阻保持恒溫狀態(tài)。本系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、精度高、可靠性強、靈活性高等特點，應用前景廣泛。由于選用的是單片機芯片，外圍電路可擴展，程序也可重新修改燒錄，因此本文系統(tǒng)可以不斷被優(yōu)化。