基于单片机实现查表测温与加热控制

决蒙 颜志强

前期设计了一款暖手宝加热电路，主控芯片使用了具有10bit精度ADC和5K字节FLASH存储空间的STC15W402AS单片机，驱动两位LED显示温度，温度检测使用了置于暖手宝内的10KΩ（25°C时）铂金电阻。为了既符合温度检测精度要求，又避免单片机温度检测复杂计算，采取巧妙的电路设计和采样后直接查表代替复杂计算的方法，在极短时间内求得实时温度，降低了编程难度，缩短了程序代码。

为了减少外围元件以降低成本，系统时钟选择使用单片机内部自带的24兆IRC时钟。铂金测温电阻Rk一端接地，另一端接单片机的P1.4脚，该脚还通过10KΩ高精度电阻R1上接5.12V电源的正极。单片机系统在内部以10位的精度对P1.4脚上电压进行数字采样，因此该系统的采样分辨率为5mV（=5.12V/210），采样输出结果（设为X）乘以5mV就是P1.4脚上的测得电压（即0.005*X）。同时电路Rk与R1串联共接于5.12V电源正极，通过串联分压计算，Rk上分得的电压为5.12V*Rk/（Rk+R1），该数取整后与P1.4脚上的测得电压0.005*X应相等，即0.005*X=5.12*Rk/（Rk+R1），把两边取倒数，得到：

（1/X）=1/1024+R1/（1024*Rk）······式①

从式①中可以看到，X与Rk是一一对应且关系唯一（但不是线性关系），而根据阻值与温度手册查询得知，每一个Rk值与一个唯一的温度值相对应，从而可以推出X与温度值也是一一对应且关系唯一。若把式①再化简得到：

（1/X）=（R1/1024）（1/R1+1/Rk）······式②

R1=10000代入第一个括号内得

（1/X）≈ 9.77（1/R1+1/Rk）······式③

那么式③中X的物理意义就变成了定值电阻R1与测温电阻Rk并联后的阻值缩小9.77倍（倍数为R1/1024，随R1而改变），若把R1换为1024Ω，X值就等于定值电阻R1与Rk并联后的阻值。从式③中也可以看到，X值测量，最终与电源电压无关，但为了提高测量准确度，电源电压尽量高。

测温时，若根据式③这种关系，在程序中把采样结果用计算方式得到实时温度仍然是非常麻烦的。为此，在编程之前，利用式③这种关系使用excel电子表格推导出不同Rk与R1并联缩小R1/1024倍的X整数值，和与之对应温度值。测温电阻使用手册中，只给出了-20°C至120°C之间140个整点温度对应的Rk阻值，通过这些阻值，根据式③关系推导出X值，把X值作为相对存储地址，这些地址存储当前Rk值对应的温度值。因为大批量生产，虽不可能对每一只测温电阻进行测量，但编程之前，仍手动测量了非整数温度点对应的Rk，与上述推导结果一并存入电子表格中，转化后固化到STC15W402AS的EEPROM中。

具体方法：X取值范围即ADC输出值为0～1023（即20-1～210-1），既对应了1024个Rk值，又对应了1024个温度值，通过excel电子表格推导或手动测量得出1024个X值和对应的1024个温度值，并按X由0至1023的顺序排列出这1024个温度值，而后存入到一个与程序代码文件类型一致的TEMPERATURE文件中。程序固化时，程序代码空间选择从地址0000H开始到07FFH地址结束，大小2048个字节;文件TEMPERATURE选择从0800H地址开始到0BFFH地址结束，这块区域是数据存储区，0C00H之后还有3K字节的数据存储区，可以另作他用。固化结束后，地址800H到BFFH之间，顺序存入了1024个温度值。编程时，采样得到的10位结果值X，低八位送给DPL，高两位加十进制数12送给DPH，A清零，使用MOVC A，@A+DPTR指令通过查表功能而得到实时温度。从EEPROM存储的整体数据来看，R1使用10KΩ电阻，大于100°C时，理论测量精度约为1°C;85°C至 100°C时，理论测量精度约为0.5°C;70°C至 85°C时，理论测量精度约为0.35°C;40°C至 70°C时，理论测量精度约为0.2°C;0°C至 40°C时，理论测量精度约为0.1°C;-20°C至0°C左右时，理论测量精度约为0.2°C。后来，为了提升70°C左右的测量精度，R1使用了1000Ω和24Ω电阻串联代替原10KΩ电阻，使70°C左右的温度测量精度提升到0.15°C左右，而25°C左右的测量精度则下降到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对应温度区间的测量精度。改变R1时，不用重写程序代码，只需更改TEMPERATURE文件，重新固化代码程序和EEPROM数据区即可。系统使用24兆时钟，测温一次约需80us。最高加热温度70°C，其测量精度虽然约为0.15°C（此时R1=1024Ω），但由于成本和体积限制，使用了两位LED，显示精度则是1°C。

系统加电后，单片机首先断开加热、关闭蜂鸣器，初始化定时器、中断入口、A/D采样、休眠等一些必要的参数，而后调用测温子程序检测暖手宝实时温度，当温度采样值为3FF或0时，说明暖手宝未与加热器相连或加热器测温电路短路，禁止加热，LED显示“□□”。當温度在70°C以下时，开始加热，每0.25秒检测一次暖手宝温度，LED实时显示当前温度;当检测到实时温度达到68°C时，停止加热15秒，利用加热器的余热继续加热，如果不能达到最高温度，则采取加热6秒停止10秒的方式继续加热，从而最终把暖手宝加热到70°C，并终止加热，蜂鸣器发出六组叫声，提示主人取下暖手宝，完成本次暖手宝测温加热。如果暖手宝及时取下来，下次插上可以再次加热。但如果暖手宝加热完毕一直没有取下来，系统采取每秒钟检测一次暖手宝温度，当其温度下降到65°C以下时，启动加热程序，使暖手宝再次加热到70°C。系统共检测15分钟，超过15分钟后，彻底不再加热，进入休眼，防止长久加热出现危险，只有暖手宝断电重启后才能再次启动温度检测和加热功能。