基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)查表測(cè)溫與加熱控制

決蒙 顏志強(qiáng)

前期設(shè)計(jì)了一款暖手寶加熱電路，主控芯片使用了具有10bit精度ADC和5K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)空間的STC15W402AS單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩位LED顯示溫度，溫度檢測(cè)使用了置于暖手寶內(nèi)的10KΩ（25°C時(shí)）鉑金電阻。為了既符合溫度檢測(cè)精度要求，又避免單片機(jī)溫度檢測(cè)復(fù)雜計(jì)算，采取巧妙的電路設(shè)計(jì)和采樣后直接查表代替復(fù)雜計(jì)算的方法，在極短時(shí)間內(nèi)求得實(shí)時(shí)溫度，降低了編程難度，縮短了程序代碼。

為了減少外圍元件以降低成本，系統(tǒng)時(shí)鐘選擇使用單片機(jī)內(nèi)部自帶的24兆IRC時(shí)鐘。鉑金測(cè)溫電阻Rk一端接地，另一端接單片機(jī)的P1.4腳，該腳還通過(guò)10KΩ高精度電阻R1上接5.12V電源的正極。單片機(jī)系統(tǒng)在內(nèi)部以10位的精度對(duì)P1.4腳上電壓進(jìn)行數(shù)字采樣，因此該系統(tǒng)的采樣分辨率為5mV（=5.12V/210），采樣輸出結(jié)果（設(shè)為X）乘以5mV就是P1.4腳上的測(cè)得電壓（即0.005*X）。同時(shí)電路Rk與R1串聯(lián)共接于5.12V電源正極，通過(guò)串聯(lián)分壓計(jì)算，Rk上分得的電壓為5.12V*Rk/（Rk+R1），該數(shù)取整后與P1.4腳上的測(cè)得電壓0.005*X應(yīng)相等，即0.005*X=5.12*Rk/（Rk+R1），把兩邊取倒數(shù)，得到：

（1/X）=1/1024+R1/（1024*Rk）······式①

從式①中可以看到，X與Rk是一一對(duì)應(yīng)且關(guān)系唯一（但不是線性關(guān)系），而根據(jù)阻值與溫度手冊(cè)查詢得知，每一個(gè)Rk值與一個(gè)唯一的溫度值相對(duì)應(yīng)，從而可以推出X與溫度值也是一一對(duì)應(yīng)且關(guān)系唯一。若把式①再化簡(jiǎn)得到：

（1/X）=（R1/1024）（1/R1+1/Rk）······式②

R1=10000代入第一個(gè)括號(hào)內(nèi)得

（1/X）≈ 9.77（1/R1+1/Rk）······式③

那么式③中X的物理意義就變成了定值電阻R1與測(cè)溫電阻Rk并聯(lián)后的阻值縮小9.77倍（倍數(shù)為R1/1024，隨R1而改變），若把R1換為1024Ω，X值就等于定值電阻R1與Rk并聯(lián)后的阻值。從式③中也可以看到，X值測(cè)量，最終與電源電壓無(wú)關(guān)，但為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，電源電壓盡量高。

測(cè)溫時(shí)，若根據(jù)式③這種關(guān)系，在程序中把采樣結(jié)果用計(jì)算方式得到實(shí)時(shí)溫度仍然是非常麻煩的。為此，在編程之前，利用式③這種關(guān)系使用excel電子表格推導(dǎo)出不同Rk與R1并聯(lián)縮小R1/1024倍的X整數(shù)值，和與之對(duì)應(yīng)溫度值。測(cè)溫電阻使用手冊(cè)中，只給出了-20°C至120°C之間140個(gè)整點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的Rk阻值，通過(guò)這些阻值，根據(jù)式③關(guān)系推導(dǎo)出X值，把X值作為相對(duì)存儲(chǔ)地址，這些地址存儲(chǔ)當(dāng)前Rk值對(duì)應(yīng)的溫度值。因?yàn)榇笈可a(chǎn)，雖不可能對(duì)每一只測(cè)溫電阻進(jìn)行測(cè)量，但編程之前，仍手動(dòng)測(cè)量了非整數(shù)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Rk，與上述推導(dǎo)結(jié)果一并存入電子表格中，轉(zhuǎn)化后固化到STC15W402AS的EEPROM中。

具體方法：X取值范圍即ADC輸出值為0～1023（即20-1～210-1），既對(duì)應(yīng)了1024個(gè)Rk值，又對(duì)應(yīng)了1024個(gè)溫度值，通過(guò)excel電子表格推導(dǎo)或手動(dòng)測(cè)量得出1024個(gè)X值和對(duì)應(yīng)的1024個(gè)溫度值，并按X由0至1023的順序排列出這1024個(gè)溫度值，而后存入到一個(gè)與程序代碼文件類型一致的TEMPERATURE文件中。程序固化時(shí)，程序代碼空間選擇從地址0000H開(kāi)始到07FFH地址結(jié)束，大小2048個(gè)字節(jié);文件TEMPERATURE選擇從0800H地址開(kāi)始到0BFFH地址結(jié)束，這塊區(qū)域是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，0C00H之后還有3K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，可以另作他用。固化結(jié)束后，地址800H到BFFH之間，順序存入了1024個(gè)溫度值。編程時(shí)，采樣得到的10位結(jié)果值X，低八位送給DPL，高兩位加十進(jìn)制數(shù)12送給DPH，A清零，使用MOVC A，@A+DPTR指令通過(guò)查表功能而得到實(shí)時(shí)溫度。從EEPROM存儲(chǔ)的整體數(shù)據(jù)來(lái)看，R1使用10KΩ電阻，大于100°C時(shí)，理論測(cè)量精度約為1°C;85°C至 100°C時(shí)，理論測(cè)量精度約為0.5°C;70°C至 85°C時(shí)，理論測(cè)量精度約為0.35°C;40°C至 70°C時(shí)，理論測(cè)量精度約為0.2°C;0°C至 40°C時(shí)，理論測(cè)量精度約為0.1°C;-20°C至0°C左右時(shí)，理論測(cè)量精度約為0.2°C。后來(lái)，為了提升70°C左右的測(cè)量精度，R1使用了1000Ω和24Ω電阻串聯(lián)代替原10KΩ電阻，使70°C左右的溫度測(cè)量精度提升到0.15°C左右，而25°C左右的測(cè)量精度則下降到0.25°C左右。由此可以看到，使用不同阻值的R1，可以提升Rk=R1對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的測(cè)量精度。改變R1時(shí)，不用重寫程序代碼，只需更改TEMPERATURE文件，重新固化代碼程序和EEPROM數(shù)據(jù)區(qū)即可。系統(tǒng)使用24兆時(shí)鐘，測(cè)溫一次約需80us。最高加熱溫度70°C，其測(cè)量精度雖然約為0.15°C（此時(shí)R1=1024Ω），但由于成本和體積限制，使用了兩位LED，顯示精度則是1°C。

系統(tǒng)加電后，單片機(jī)首先斷開(kāi)加熱、關(guān)閉蜂鳴器，初始化定時(shí)器、中斷入口、A/D采樣、休眠等一些必要的參數(shù)，而后調(diào)用測(cè)溫子程序檢測(cè)暖手寶實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度采樣值為3FF或0時(shí)，說(shuō)明暖手寶未與加熱器相連或加熱器測(cè)溫電路短路，禁止加熱，LED顯示“□□”。當(dāng)溫度在70°C以下時(shí)，開(kāi)始加熱，每0.25秒檢測(cè)一次暖手寶溫度，LED實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度;當(dāng)檢測(cè)到實(shí)時(shí)溫度達(dá)到68°C時(shí)，停止加熱15秒，利用加熱器的余熱繼續(xù)加熱，如果不能達(dá)到最高溫度，則采取加熱6秒停止10秒的方式繼續(xù)加熱，從而最終把暖手寶加熱到70°C，并終止加熱，蜂鳴器發(fā)出六組叫聲，提示主人取下暖手寶，完成本次暖手寶測(cè)溫加熱。如果暖手寶及時(shí)取下來(lái)，下次插上可以再次加熱。但如果暖手寶加熱完畢一直沒(méi)有取下來(lái)，系統(tǒng)采取每秒鐘檢測(cè)一次暖手寶溫度，當(dāng)其溫度下降到65°C以下時(shí)，啟動(dòng)加熱程序，使暖手寶再次加熱到70°C。系統(tǒng)共檢測(cè)15分鐘，超過(guò)15分鐘后，徹底不再加熱，進(jìn)入休眼，防止長(zhǎng)久加熱出現(xiàn)危險(xiǎn)，只有暖手寶斷電重啟后才能再次啟動(dòng)溫度檢測(cè)和加熱功能。