溫度是流體力學(xué)中的重要變量，不僅影響流體介質(zhì)的物理性質(zhì)，更驅(qū)動(dòng)著對(duì)流、混合等物理過程，因此需要快速、準(zhǔn)確、無擾或微擾地測(cè)量流體中的溫度，特別是為了了解全場(chǎng)流體的溫度分布，就需要對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量。目前采用的多點(diǎn)溫度測(cè)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(xué)信號(hào)通過AD電路采集后轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，測(cè)量精度高，常作為其他測(cè)量方法標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值。因每個(gè)溫度傳感器都要占用一路AD采集通道，當(dāng)測(cè)點(diǎn)增多時(shí)，采集系統(tǒng)的成本大幅增加，可維護(hù)性變差。用集成溫度傳感器如DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫的方法已見報(bào)導(dǎo)，采用單總線通信使采集電路大為簡(jiǎn)化，然而采集電路受測(cè)點(diǎn)溫度影響，測(cè)量精度有限，集成溫度傳感器的封裝尺寸較大，熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適于快速測(cè)量，且對(duì)流場(chǎng)的干擾較大。非接觸式溫度測(cè)量如紅外熱成像方法和示溫染料方法能夠高密度的測(cè)量或顯示溫度場(chǎng)分布，此類方法受于背景場(chǎng)和染料性質(zhì)的影響，測(cè)溫的相對(duì)精度較高，絕對(duì)精度不能滿足流體定量研究的需要。
為了克服現(xiàn)有測(cè)溫方法不能完全滿足流體多點(diǎn)測(cè)溫需要的缺點(diǎn)，提出了一種用MOS管控制快速響應(yīng)熱敏電阻陣列與TLC555構(gòu)成溫度-頻率(T-F)變換電路，結(jié)合單片機(jī)PIC18F6722和8253計(jì)數(shù)芯片精確測(cè)量頻率并反演為測(cè)點(diǎn)溫度，完成了測(cè)溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，能夠滿足流體多點(diǎn)精確測(cè)溫的需要。
1 總體設(shè)計(jì)
PIC18F6722是Microchip公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型單片機(jī)，集成了豐富的硬件資源，包括兩個(gè)增強(qiáng)USART，一個(gè)SPI總線端口，54個(gè)I/O引腳，4個(gè)外部中斷，3 936字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)空間和1 024字節(jié)的EEPROM，可以方便的與外設(shè)連接和通信。
8253是Intel公司的微型機(jī)外圍芯片，內(nèi)含三個(gè)獨(dú)立的16位可預(yù)置減法計(jì)數(shù)器和一個(gè)并行數(shù)據(jù)端口，可分別設(shè)置三個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和讀寫計(jì)數(shù)值。SST25VF016是Silicon公司生產(chǎn)的16 Mbit SPI接口的串行FLASH存儲(chǔ)器，可以在失電的情況下長(zhǎng)期保存測(cè)量數(shù)據(jù)。TLC555是德州儀器生產(chǎn)的功能完全兼容NE555的定時(shí)器芯片，具有更快的響應(yīng)速度，最高工作頻率可達(dá)2MHz。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，P溝道MOS管開關(guān)陣列在PIC18F6722的控制下將熱敏電阻陣列中的單個(gè)電阻分別與TLC555構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，測(cè)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)T-F變化;2MHz標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為8253計(jì)數(shù)器提供時(shí)間基準(zhǔn)，用8253精確測(cè)量TLC555的輸出頻率;PIC18F6722設(shè)置8253三個(gè)計(jì)數(shù)通道的工作方式和計(jì)數(shù)初值，在結(jié)束時(shí)讀取8253計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為測(cè)點(diǎn)的溫度，將溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SST25VF106中或通過通信電路實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)處理和顯示。
2 硬件設(shè)計(jì)
多個(gè)熱敏電阻構(gòu)成m行n列的熱敏電阻陣列，需要m+n個(gè)MOS管，每個(gè)MOS管的柵極分別由PIC18F6722的一個(gè)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(gè)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(gè)熱敏電阻，分布在流體中待測(cè)溫度場(chǎng)的不同測(cè)點(diǎn)，TLC555振蕩電路采用了文獻(xiàn)中推薦的連接方式，輸出信號(hào)為TLC555CK。
通過程序設(shè)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(shí)間常數(shù)
，放電的時(shí)間常數(shù)為τL=CTRB，可計(jì)算得到TLC555的輸出頻率TLC555CK，其他測(cè)點(diǎn)可依此類推。溫度變化引起R(2,3)變化，使τH改變進(jìn)而引起輸出頻率TLC555CK改變。實(shí)現(xiàn)T-F變換。因?yàn)槭褂铆h(huán)境不同和器件老化等問題，測(cè)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(guān)，可以用CT放電周期對(duì)系統(tǒng)漂移進(jìn)行校正。使用8253計(jì)數(shù)器精確測(cè)量TLC555CK，2 MHz標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘提供時(shí)間基準(zhǔn)，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(shè)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(gè)測(cè)點(diǎn)熱敏電阻進(jìn)行測(cè)量。
8253計(jì)數(shù)器每個(gè)計(jì)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(shè)置。計(jì)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(jì)數(shù)初值且GATE為高電平后即開始在輸入脈沖的下降沿進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，OUT保持高電平，計(jì)數(shù)值減為1時(shí)，OUT輸出低電平并保持一個(gè)CLK周期，在下一個(gè)脈沖下降沿OUT輸出高電平，重裝初值計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)通道1和計(jì)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(jì)數(shù)初值不計(jì)數(shù)，當(dāng)GATE由低變高并保持高時(shí)進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，GATE為低時(shí)不計(jì)數(shù)，任意時(shí)刻GATE由低變高則裝載計(jì)數(shù)初值重新開始計(jì)數(shù)。
