基于單片機控制的熱源自動測試儀

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:30:49 來源：

　　討論了一種用于藥品質量監測的單片機多點熱源自動采集和測試系統，該測試儀器能夠在實驗室內自動巡回測試30路熱源。本文論述了測試系統的構成、工作原理與研發中的主要技術問題。
關鍵詞：多點測溫；集成溫度傳感器；測量精度；單片機

　　在藥品質量監測過程中，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、一致性和線性度等指標有著較高的要求。傳統老式儀器大多是各類溫度計，測試效率和精度都難如人意。根據現場監測要求，研制了基于單片機控制的熱源自動測試儀，實現了在實驗室內自動巡回測試30路熱源，滿足了現場測溫準確穩定的高標準要求，成功地完成了藥檢實驗室測試儀器的更新換代。

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，對多點測試的熱源數據經多路轉換開關，送入儀器放大器實現差值放大后，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作為定時器，在定時時間內接受脈沖信號，通過V/F轉換器實現了高精度的A/D轉換，最后將數據送入8051進行分析處理，配合輸入與顯示模塊電路完成多點溫度的顯示、監測、預警和打印等功能。

　　為了保證儀器測溫的精度、穩定性和線性度等指標，在硬件上主要采取了2個方面的措施。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鍵。作為計量儀器不宜選用一般的PN結溫度傳感器，因為其測溫精度、穩定性、線性度和一致性都相對較差，不能滿足設計的要求。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℃，非線性度在0～150℃范圍小于0．5％，其參數性能保證了現場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，用戶在儀器使用一定時間后，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轉換的過程中，不可避免地要引入一些干擾，使數據產生一定的誤差。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性軟件校正等手段。

　　如圖1所示，30路溫度傳感器AD590KH經2片模擬開關4067構成30選1的熱源數據選擇器，通過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(LM399的零漂和失調電壓均小于5 PPM/℃)，儀器放大器同相端接實際現場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。

　　作為一個高性能的計量儀器，對放大器增益的穩定性、失調電壓、零漂和非線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節帶來的誤差，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、失調電壓和非線性失真等參數指標值極小，使AD524在放大信號過程中產生的誤差，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性正比關系，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，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，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轉換器實現A/D轉換，消除了轉換后的數據在送入單片機過程中的干擾，并且通過調整T1口的定時時間，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口的定時時間設定為100 ms，使V/F轉換器相當于14 b的A/D轉換器。通過增大T1口的定時時間，提高了A/D轉換的位數，進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，把定時時間T1增大n倍(n為正整數)，將T0口接受的脈沖數據除以n，以實現軟件濾波。

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

3　系統軟件

　　測溫系統軟件用MCS-51系列匯編語言編制。圖2是系統軟件的程序流程圖。