一种单片机温度测量仪

　　PIC16C54是8位CMOS低功耗单片机,采用精简指令集(RISC),易学易用;由于片内带EPROM、看门狗电路(WDT)和复位电路,所以构成一最小系统仅需极少的外部元件,成本低,体积小;与同类单片机相比,其程序存贮器可节省一半,指令速度可提高四倍左右;PIC16C54采用一次性编程(OTP)技术,程序保密性强;低功耗模式,耗电小于10μA;输出管脚负载能力强(灌入或扇出25mA),可直接驱动LED;电源电压范围宽(2.5～6.25V)。

　　本文采用PIC16C54单片机和几个外围元件设计了一热电阻温度测量仪,其结构简单,性能可靠。

　　1　测量原理

　　使用电容充放电电路(如图1—1所示)将测量电阻转换为测量时间,而应用单片机测量时间是十分容易的。首先,置RA2为输出状态、RA1和RA3为输入状态,RA2输出的高电压VH(≥0.85VDD)通过被测热电阻RM对电容C充电,电容C上的电压uc(t)按一阶指数规律上升(参见图1—2):

　　在渡越时间TM后,uc(t)由0V上升到RA3的输入高电平门槛电压VT(≥0.45VDD),RA3的输入状态也由低电平变成高电平状态。此时,将RA3置成输出低电平状态,电容C上的电压通过Rp和RA3快速放电。TM可由式(1—1)取对数后求得:

　　由式(1—2)可见,只要已知电容C、VT和VH,测量出TM,就能计算出电阻RM。然而,由于元器件参数的分散性及温度漂移等影响,实际利用式(1—2)方法存在不少问题。为了解决这一问题,我们可置RA1输出高电平VH,通过标准电阻RC对电容C进行充电,同理可得,电容C上的电压uc(t)由0V升至RA3输入高电平门槛电压VT的时间TC:

　　将式(1—2)除以式(1—3)可得:

　　由式(1—4)可见,由于标准电阻RC的值是已知的,所以只要测量出TM和TC就可以通过式(1—4)计算出被测电阻RM的阻值,且计算简单得多。式(1—4)还表明,计算值RM与输出电平VH、输入门槛电压VT和电容C无关。当RC选用标准电阻,并且单片机时间测量精度足够高时,使用该测量方法可达到较高的测量精度。显然,该方法充分利用了单片机的软件补偿技术,仅需外加一只精密电阻和一只电容,就可实现电阻RM的测量。单片机程序再通过计算或查表的方法,将电阻RM的阻值转换成相对应的温度值。与采用硬件线路实现热电阻测量的非线性补偿技术相比,该方法就显得非常简单。

　　图1—1中电阻RP(约100～200Ω)用于限制通过RA3的峰值电流:电容C放电、静电放电(ESD)或过压(EOS)。

　　2　电路参数设计

　　电阻RC和电容C的选择基于需要的分辨率。RC应近似取被测电阻最大值的一半,电容C的选择既要考虑到测量灵敏度,又要注意到不使计数时间太长,以免计数器溢出。由式(1—2)可知,