摘 要：討論了一種用于藥品質(zhì)量監(jiān)測的單片機(jī)多點(diǎn)熱源自動采集和測試系統(tǒng)，該測試儀器能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自動巡回測試30路熱源。本文論述了測試系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理與研發(fā)中的主要技術(shù)問題。
關(guān)鍵詞：多點(diǎn)測溫；集成溫度傳感器；測量精度；單片機(jī)
在藥品質(zhì)量監(jiān)測過程中，熱源反應(yīng)的測溫是一項(xiàng)重要內(nèi)容。藥品檢測有其特殊性，對測試系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、一致性和線性度等指標(biāo)有著較高的要求。傳統(tǒng)老式儀器大多是各類溫度計，測試效率和精度都難如人意。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測要求，研制了基于單片機(jī)控制的熱源自動測試儀，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自動巡回測試30路熱源，滿足了現(xiàn)場測溫準(zhǔn)確穩(wěn)定的高標(biāo)準(zhǔn)要求，成功地完成了藥檢實(shí)驗(yàn)室測試儀器的更新?lián)Q代。
1 測試儀器系統(tǒng)組成與工作原理
本測試儀器的工作原理圖如圖1所示，對多點(diǎn)測試的熱源數(shù)據(jù)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，送入儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大后，用V/F轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖信號，送入8051單片機(jī)的T0口，T0為計數(shù)器，T1作為定時器，在定時時間內(nèi)接受脈沖信號，通過V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了高精度的A/D轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)送入8051進(jìn)行分析處理，配合輸入與顯示模塊電路完成多點(diǎn)溫度的顯示、監(jiān)測、預(yù)警和打印等功能。
為了保證儀器測溫的精度、穩(wěn)定性和線性度等指標(biāo)，在硬件上主要采取了2個方面的措施。一方面是選擇合適的溫度傳感器，溫度傳感器的參數(shù)性能，是整機(jī)性能能否達(dá)到設(shè)計要求的關(guān)鍵。作為計量儀器不宜選用一般的PN結(jié)溫度傳感器，因?yàn)槠錅y溫精度、穩(wěn)定性、線性度和一致性都相對較差，不能滿足設(shè)計的要求。這里選用了集成溫 度傳感器AD590KH，其測溫精度為0．1℃，測溫分辨率為0．01℃，非線性度在0～150℃范圍小于0．5％，其參數(shù)性能保證了現(xiàn)場采集的熱源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號后的數(shù)據(jù)精度、穩(wěn)定性和線性度均高于計量標(biāo)準(zhǔn)。此外，集成溫度傳感器AD590具有一致性較好特點(diǎn)，用戶在儀器使用一定時間后，可方便地自行更換探頭。另一方面，在信號選擇、傳送、放大和A/D轉(zhuǎn)換的過程中，不可避免地要引入一些干擾，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差。為了確保儀器整機(jī)性能指標(biāo)符合計量標(biāo)準(zhǔn)要求，對儀器前向通道的結(jié)構(gòu)，器件性能參數(shù)指標(biāo)的選擇上都提出了較高的要求，在軟件設(shè)計上，采用了數(shù)字濾波與線性軟件校正等手段。
如圖1所示，30路溫度傳感器AD590KH經(jīng)2片模擬開關(guān)4067構(gòu)成30選1的熱源數(shù)據(jù)選擇器，通過8051單片機(jī)的P1口的P1．0～P1．4編程控制30路信號的通斷，使30路熱源數(shù)據(jù)依次送入儀器放大器AD524，逐一實(shí)現(xiàn)差值放大。
儀器設(shè)計要求測溫分辨率為0．01℃，測溫范圍為30～40℃，放大器輸出電壓范圍為0～10 V。由于系統(tǒng)對測溫參數(shù)性能要求很高，為了達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，放大器采取對信號進(jìn)行差值放大，差值放大的增益越高，儀器測溫輸出結(jié)果的分辨率和靈敏度就越高，這里把AD524的增益設(shè)定為100倍。把30℃溫度的測溫電壓值作為高性能基準(zhǔn)電壓源LM399的基準(zhǔn)電壓值Vr接到儀器放大器AD524的反相輸入端，作為測溫零刻度參考點(diǎn)(LM399的零漂和失調(diào)電壓均小于5 PPM/℃)，儀器放大器同相端接實(shí)際現(xiàn)場測器輸入電壓變化為10 mV，輸出電壓變化為1 V；溫度每變化0．1℃，儀器放大器輸入電壓變化為1 mV，輸出電壓變化為100 mV；溫度每變化0．01℃，儀器放大器輸入電壓變化為0．1 mV，輸出電壓變化為10 mV。
作為一個高性能的計量儀器，對放大器增益的穩(wěn)定性、失調(diào)電壓、零漂和非線性失真等參數(shù)要求極高，不宜于選用一般精度的運(yùn)放作為放大器，否則可能由于運(yùn)放對信號放大這一環(huán)節(jié)帶來的誤差，使儀器的參數(shù)指標(biāo)性能下降，達(dá)不到計量標(biāo)準(zhǔn)。本儀器選用了高性能參數(shù)的AD524作為儀器放大器，AD524的零漂、失調(diào)電壓和非線性失真等參數(shù)指標(biāo)值極小，使AD524在放大信號過程中產(chǎn)生的誤差，在本儀器所要求性能參數(shù)的數(shù)量級上可忽略不計。
2 V/F轉(zhuǎn)換
系統(tǒng)使用LM331作為V/F轉(zhuǎn)換器，把AD524輸出的0～10 V電壓，轉(zhuǎn)換成0～100 kHz頻率的脈沖信號，送入8051單片機(jī)的T0口。測量溫度數(shù)據(jù)與V/F轉(zhuǎn)換后的脈沖信號頻率成線性正比關(guān)系，溫度越高，儀器放大器輸出的電壓越高，V/F轉(zhuǎn)換器輸出的頻率值越高。溫度為0℃時，儀器放大器輸出的電壓為0 V，V/F轉(zhuǎn)換后的頻率值為0 kHz；溫度為40℃時，儀器放大器輸出的電壓為10 V，V/F轉(zhuǎn)換后的頻率值為100 kHz。用V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，消除了轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在送入單片機(jī)過程中的干擾，并且通過調(diào)整T1口的定時時間，改變T0口計數(shù)器接受脈沖的數(shù)量，可改變A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)。本系統(tǒng)把T1口的定時時間設(shè)定為100 ms，使V/F轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于14 b的A/D轉(zhuǎn)換器。通過增大T1口的定時時間，提高了A/D轉(zhuǎn)換的位 數(shù)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)的精度和分辨率。為了更好地改善儀器性能，把定時時間T1增大n倍(n為正整數(shù))，將T0口接受的脈沖數(shù)據(jù)除以n，以實(shí)現(xiàn)軟件濾波。
此外，本測試儀配有鍵盤輸入及液晶顯示模塊，使得儀器配置完善，用戶操作方便可靠。
3 系統(tǒng)軟件
測溫系統(tǒng)軟件用MCS-51系列匯編語言編制。圖2是系統(tǒng)軟件的程序流程圖。
4 結(jié) 語
實(shí)踐表明，基于上述思路構(gòu)建的測試系統(tǒng)是正確的、可行的，近半年的時間研制出了該儀器，并使其在以后的穩(wěn)定運(yùn)行中滿足了設(shè)計要求。在系統(tǒng)允許一個探頭測量溫度數(shù)據(jù)時間為幾秒時，使用V/F轉(zhuǎn)換器，既可以降低儀器成本，又提高了系統(tǒng)性能
