摘要：針對一般測溫方法在進行流體多點溫度測量時存在系統(tǒng)復雜，準確度和速度難以兼顧的問題，提出了一種基于溫度-頻率(T-F)變換的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用PIC18F6722單片機控制MOS管開關陣列，使多個測點的熱敏電阻分別與TLC555構成振蕩電路，將測點的溫度變化轉化為振蕩頻率的變化，使用8253計數(shù)芯片時TLC555的輸出信號進行測量并產生中斷，單片機讀取8253計數(shù)值反演為測點溫度。實驗表明，測點數(shù)目增多不會增加測量系統(tǒng)的復雜程度，通過設置8253的計數(shù)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，滿足了流體多點精確快速測溫的需求。同時該系統(tǒng)具備簡潔實用，成本低的優(yōu)點。
關鍵詞：溫度測量；多點；溫度頻率變換；熱敏電阻；TLC555；8253計數(shù)器

    溫度是流體力學中的重要變量，不僅影響流體介質的物理性質，更驅動著對流、混合等物理過程，因此需要快速、準確、無擾或微擾地測量流體中的溫度，特別是為了了解全場流體的溫度分布，就需要對多個測點同時測量。目前采用的多點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信號通過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。因每個溫度傳感器都要占用一路AD采集通道，當測點增多時，采集系統(tǒng)的成本大幅增加，可維護性變差。用集成溫度傳感器如DS18B20進行多點測溫的方法已見報導，采用單總線通信使采集電路大為簡化，然而采集電路受測點溫度影響，測量精度有限，集成溫度傳感器的封裝尺寸較大，熱響應時間長，不適于快速測量，且對流場的干擾較大。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分布，此類方法受于背景場和染料性質的影響，測溫的相對精度較高，絕對精度不能滿足流體定量研究的需要。
    為了克服現(xiàn)有測溫方法不能完全滿足流體多點測溫需要的缺點，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(shù)芯片精確測量頻率并反演為測點溫度，完成了測溫系統(tǒng)的軟硬件設計，能夠滿足流體多點精確測溫的需要。

1 總體設計
    PIC18F6722是Microchip公司生產的增強型單片機，集成了豐富的硬件資源，包括兩個增強USART，一個SPI總線端口，54個I／O引腳，4個外部中斷，3 936字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的FLASH程序存儲空間和1 024字節(jié)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，內含三個獨立的16位可預置減法計數(shù)器和一個并行數(shù)據(jù)端口，可分別設置三個計數(shù)器的工作方式和讀寫計數(shù)值。SST25VF016是Silicon公司生產的16 Mbit SPI接口的串行FLASH存儲器，可以在失電的情況下長期保存測量數(shù)據(jù)。TLC555是德州儀器生產的功能完全兼容NE555的定時器芯片，具有更快的響應速度，最高工作頻率可達2MHz。

    系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，P溝道MOS管開關陣列在PIC18F6722的控制下將熱敏電阻陣列中的單個電阻分別與TLC555構成無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，測點溫度變化引起熱敏電阻的阻值變化，使得TLC555輸出頻率改變，實現(xiàn)T-F變化；2MHz標準時鐘為8253計數(shù)器提供時間基準，用8253精確測量TLC555的輸出頻率；PIC18F6722設置8253三個計數(shù)通道的工作方式和計數(shù)初值，在結束時讀取8253計數(shù)值，將計數(shù)值轉化為測點的溫度，將溫度數(shù)據(jù)存儲在SST25VF106中或通過通信電路實時傳送到PC機處理和顯示。

2 硬件設計
    多個熱敏電阻構成m行n列的熱敏電阻陣列，需要m+n個MOS管，每個MOS管的柵極分別由PIC18F6722的一個I／O口的控制。以5行3列的熱敏電阻陣列為例，電路連接方式如圖2所示。VT1～VT8是8個P溝道MOS管，柵極分別由PIC18F6722的RE0～RE7引腳控制，R(1,1)～R(3,5)是15個熱敏電阻，分布在流體中待測溫度場的不同測點，TLC555振蕩電路采用了文獻中推薦的連接方式，輸出信號為TLC555CK。

    通過程序設置RE端口為推挽式輸出模式，如令RE=0xdd，R(2,3)通過VT2和VT6與RA并聯(lián)，則GT充電的時間常數(shù)，放電的時間常數(shù)為τL=CTRB，可計算得到TLC555的輸出頻率TLC555CK，其他測點可依此類推。溫度變化引起R(2,3)變化，使τH改變進而引起輸出頻率TLC555CK改變。實現(xiàn)T-F變換。因為使用環(huán)境不同和器件老化等問題，測量系統(tǒng)存在不可避免的系統(tǒng)漂移，注意到τL與溫度變化無關，可以用CT放電周期對系統(tǒng)漂移進行校正。使用8253計數(shù)器精確測量TLC555CK，2 MHz標準時鐘提供時間基準，電路連接如圖3所示，其中U1為2 MHz有源晶振，U2為三輸入與門，U3是二輸入與門，U4是反相器。將RB0設置為下降沿觸發(fā)的外部中斷方式，在中斷函數(shù)中改變MOS管陣列的通斷組合，切換到下一個測點熱敏電阻進行測量。

    8253計數(shù)器每個計數(shù)通道都有6種工作方式，可通過向控制寄存器寫入控制字設置。計數(shù)通道0工作于方式2-頻率發(fā)生器方式，在該方式下裝入計數(shù)初值且GATE為高電平后即開始在輸入脈沖的下降沿進行減1計數(shù)，OUT保持高電平，計數(shù)值減為1時，OUT輸出低電平并保持一個CLK周期，在下一個脈沖下降沿OUT輸出高電平，重裝初值計數(shù)。計數(shù)通道1和計數(shù)通道2工作于方式1-可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在該方式下裝入計數(shù)初值不計數(shù)，當GATE由低變高并保持高時進行減1計數(shù)，GATE為低時不計數(shù)，任意時刻GATE由低變高則裝載計數(shù)初值重新開始計數(shù)。
    3個計數(shù)通道工作的時序圖如圖4所示，N0、N1、N2、分別為3個計數(shù)通道的初值。減小N0可以提高測量速度，增大N0可以獲得較高的測量精度，應根據(jù)實際需要設定N0的值。一般設置N1、N2為最大值0xFFFF，并保證在測量過程中不溢出(單點測量時間小于32 ms)。在OUT0的下降沿觸發(fā)PIC18F6722的RB0引腳外部中斷，改變MOS管通斷組合狀態(tài)切換到下一個測點計數(shù)。

    系統(tǒng)標定時計數(shù)通道0的初值為N0*計數(shù)通道1的計數(shù)值為△N1*，△N1*／(N0*-1)應為恒定值，當系統(tǒng)存在漂移時，該值會改變。通過以下方法校正系統(tǒng)漂移：在測量中計數(shù)通道0的初值為N0，計數(shù)通道1的計數(shù)值為△N1，漂移系數(shù)η定義為
    
    計數(shù)通道2的計數(shù)值△N2與η的乘積得到校正后的計數(shù)值△N2*，用△N2*計算測點溫度即可校正系統(tǒng)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，用RC0引腳控制MAX485的收發(fā)工作狀態(tài)，實現(xiàn)多個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管開關陣列控制熱敏電阻陣列，實現(xiàn)多點的快速精確測溫，當測點增多時，測量系統(tǒng)的復雜度無顯著增加。采用8253硬件計數(shù)電路，PIC18F6722只需對8253的寄存器值進行配置和讀寫，即可在測量精度和測量速度間根據(jù)實際情況靈活選擇，降低了軟件開發(fā)難度，系統(tǒng)的維護升級十分方便。

3 軟件設計
    PIC18F6722是多點流體溫度測量系統(tǒng)的主控制器，需要完成各硬件的初始化、硬件連接的檢測、各測點溫度的測量、測量數(shù)據(jù)的傳輸與存儲等功能。軟件采用模塊化的設計方法，用C語言編寫，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(tǒng)變量，與上位機通信決定系統(tǒng)硬件的工作方式，處理其他系統(tǒng)事務和各種異常。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管開關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，執(zhí)行測溫中斷服務程序，在程序中關斷上一測點對應的MOS管，讀取8253中計數(shù)通道1、2的計數(shù)值，打開下一測點對應的MOS管，用計數(shù)通道1的值計算漂移系數(shù)校正系統(tǒng)漂移，再將計數(shù)器2的計數(shù)值轉化為測點溫度。

4 系統(tǒng)標定與應用
    利用圖2中電容CT的充放電時間常數(shù)可以計算測點溫度與TLC555輸出頻率的對應關系，但在實際應用中由于各器件的制造誤差，很難直接由對應關系計算測點溫度。系統(tǒng)的直接測得量是8253的計數(shù)值，校正系統(tǒng)漂移后只有一個量(△N2*／N0)，通過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，PIC18F6722按照線性插值方法將8253的計數(shù)值轉化為測點溫度。因為測量系統(tǒng)包含系統(tǒng)漂移校正機制，故系統(tǒng)標定過程只需執(zhí)行一次便可保證長期穩(wěn)定的測量精度。
    具體應用中使用PIC18F6722的空閑I／O口實現(xiàn)了12x12陣列共144個熱敏電阻的多點測量。TLC555在溫度為298K時的振蕩頻率約為2 kHz，經過系統(tǒng)標定后，在280～320 K的范圍內測量精度優(yōu)于0．05 K，單點測量時間約為7 ms，全場測量時間約為1 s，滿足了流體實驗中對多點溫度高精度快速測量的需要。該測量系統(tǒng)已成功應用于水平溫差對流的實驗研究中。

5 結束語
    本系統(tǒng)實現(xiàn)了流體介質內多點精確快速測溫的功能，測點數(shù)目增多時系統(tǒng)的復雜度基本不變。硬件電路將測點溫度變化轉化為TLC555輸出頻率的變化，并用8253計數(shù)器進行精確計數(shù)，單片機控制器只需讀寫8253寄存器即可計算測點溫度，簡化了軟件設計，方便系統(tǒng)的維護升級，單片機控制器改變8253的計數(shù)初值，不改動硬件即可在測量速度和準確度間靈活選擇。系統(tǒng)實現(xiàn)了漂移校正功能，省去了繁瑣的多次標定過程，能夠在不同的使用環(huán)境中長期穩(wěn)定的測量。