基于PT100的数控机床主轴温度采集系统设计

唐清春，刘斌，魏巍，王太子，潘英广，张晨阳

（1.广西科技大学创新创业学院，广西柳州，545006；2.广西科技大学机械与汽车工程学院，广西柳州，545006）

0 引言

在数控加工中，误差的存在严重影响了加工精度的提高，其中机床主轴热误差是误差的主要来源之一。而温度测量［1］对于数控机床主轴热误差的补偿而言至关重要，因此如何实现数控机床主轴温度测量的准确、便捷、低成本，便成为当前的热点话题[2]。该文以单片机STC89C52RC为处理器，PT100热电阻式温度传感器为检测部件，液晶显示器、按键为标准输入输出，另外配以部分信号处理芯片组成了一个小型温度采集系统［3］，该系统不仅可以对数控机床主轴进行温度测量，还能应用于其他需要采集温度数据的场所，具有很强的实践性和可移植性。

1 系统功能及实现方案

其实现流程如下：

(1)PT100热电阻式温度传感器［4］将被测物体的温度信息映射为自身阻值变化。

(2)测温电路则将阻值变化转化为电压信号并进行放大，放大后的信号传输至PCF8591模量转换芯片转化为数字信号。

(3)模量转换芯片将数字信号发送至单片机STC89C52RC进行信号预处理（即去除部分误差较大的数据）。

(4)单片机将处理过后的数字信号分别发送至液晶显示器LCD1602以及外部存储芯片24C64。

液晶显示器LCD1602用以对数字信号进行直接显示，外部存储芯片24C64则对数据进行存储并在与PC通信的时候进行数据输出。该系统的总体设计如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

数控机床主轴温度采集系统主要由以下电路组成：单片机最小系统电路、PT100测温电路、按键电路、LCD1602液晶显示器电路、PCF8591模量转换电路、外部存储电路、USB串口通信电路。

2.1 单片机最小系统电路设计

单片机最小系统电路能够为单片机提供基本运行环境。该系统选用的STC89C52RC是一个低电压，高性能的CMOS 8位单片机，有着体积小、价格便宜、运行稳定等优点。其主要由STC89C52RC单片机、晶振电路、复位电路以及电源电路构成。

其中晶振电路用于提供单片机的时钟频率，为11.05926MHz；单片机的复位电路则是用于单片机程序的复位，在保证上电自动复位情况下，该设计中提供按钮进行手动复位；温度采集系统使用的供电方式为USB供电。

2.2 PT100测温电路设计

测温电路用以实现温度信号到模拟电压信号的转换。该温度采集系统选用热电阻传感器PT100作为温度传感器，并通过如图2所示的恒流源式测温电路对传感器信号进行处理。恒流源式测温电路能够提供恒定电流给PT100，相较于其他测温电路具有较高的精度。

图2 测温电路示意图

该测温电路主要由恒流源与运算放大器两部分组成：运放IC1A将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过PT100时产生压降，压降信号经过运放IC1B放大后得到模拟信号输出。

2.3 按键电路设计

数控机床主轴温度采集系统通过按键来实现对各个功能控制。共有8个按键，其中6个按键为功能按键，2个备用按键，6个按键的功能分别为开始采集、停止采集、数据读取、上翻页、下翻页、数据上传。

2.4 LCD1602液晶显示器电路设计

LCD1602液晶显示器是点阵型液晶，它将单片机发送的温度数据进行直接显示。该显示器应用十分广泛，驱动方便，显示内容多样且质量较高。在液晶显示器是数据通信端口外接上拉电阻，控制其端口电位。

2.5 PCF8591模量转换电路设计

模量转换电路为模量转换芯片提供基本运行环境，以实现模拟信号到数字信号的转换。将测温电路输出的模拟信号发送到模数转换芯片的模拟量输入接口，在芯片内部完成信号转换。单个PCF8591芯片具有4个模拟量输入接口，温度采集装置配有4个PCF8591模数转换芯片。其中16个模拟量输入接口均已引出，12个外接测温电路，4个留以备用。

2.6 外部存储电路设计

温度采集系统需要将采集的数据传送至PC端，因此系统配有2个24C64外部存储芯片，确保该系统能够在断电的情况下保存数据，并在与PC通信时进行数据输出。

2.7 USB串口通信电路设计

USB串口通信电路用以实现单片机软件的下载和温度数据的上传，其主要由USB接口、CH340T芯片构成。该电路通过CH340T芯片实现信号转换，同时USB接口为整个系统提供电源。

3 系统软件设计

数控机床主轴温度采集系统由硬件、软件两部分组成。硬件为软件功能的实现提供物质基础，软件则完成各具体功能。软件程序主要由主程序和子程序构成，主程序为整个软件的核心，用以调度硬件配置以及与用户进行交互。子程序则完成测温、存储等实质性工作。

4 仿真及实例应用验证

4.1 测温系统仿真

通过Proteus软件与KeiluVision4共同完成系统仿真。其中Keil uVision4用以编写软件代码，Proteus用以单片机仿真。在Proteus软件中绘制系统结构图，并导入在KeiluVision4中代码生成的HEX文件进行仿真。

4.2 实例应用

在PCB制作、元器件焊接完成之后，将该测温系统与标准测温仪器置于水中进行测验。在多个水温进行重复测量，并记录标准测温仪器与该测温系统的测量数据。

4.3 数据分析

测验记录的部分数据如下表所示。在比对该系统所测数据与标准温度测量仪器的测温数据中发现，该系统测量数据存在以下问题：

(1)该系统在不同温段测量误差有所不同；(2)该系统测量数据始终存在误差。

考虑以上问题存在的原因可能是：

(1)该系统的标定采用曲线拟合的方式完成，所以在不同的温度段测量误差有所偏差；(2)PT100测温探头存在一定体积，若水中温度不均匀会造成一定误差。(3)实验数据的细小误差可能是单片机在计算过程中的舍入误差引起。

虽然与标准测温设备相比，该系统测量数据存在一定偏差，但该偏差在在可以接受的误差范围内，能够满足测温需求。

5 总结

该文使用STC89C52RC单片机、PT100温度传感器、LCD1602液晶显示器、PCF8591模数转换芯片、24C64存储芯片、CH340T芯片等设计了数控机床主轴温度采集系统，并进行了计算机仿真和实地测试。测试结果表明：该系统整体设计能够实现预期功能，能够完成一定的测温任务，具有较高的推广价值。且系统具有结构简单、运行稳定、成本低廉等优点，但是该装置受限于测温电路的误差，导致采集的数据精度有限。