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)動著對流、混合等物理過程，因此需要快速、準(zhǔn)確、無擾或微擾地測量流體中的溫度，特別是為了了解全場流體的溫度分布，就需要對多個測點同時測量。目前采用的多點溫度測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)信號通過AD電路采集后轉(zhuǎn)換為溫度信號，測量精度高，常作為其他測量方法標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值。因每個溫度傳感器都要占用一路AD采集通道，當(dāng)測點增多時，采集系統(tǒng)的成本大幅增加，可維護性變差。用集成溫度傳感器如DS18B20進行多點測溫的方法已見報導(dǎo)，采用單總線通信使采集電路大為簡化，然而采集電路受測點溫度影響，測量精度有限，集成溫度傳感器的封裝尺寸較大，熱響應(yīng)時間長，不適于快速測量，且對流場的干擾較大。非接觸式溫度測量如紅外熱成像方法和示溫染料方法能夠高密度的測量或顯示溫度場分布，此類方法受于背景場和染料性質(zhì)的影響，測溫的相對精度較高，絕對精度不能滿足流體定量研究的需要。
為了克服現(xiàn)有測溫方法不能完全滿足流體多點測溫需要的缺點，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PIC18F6722和8253計數(shù)芯片精確測量頻率并反演為測點溫度，完成了測溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，能夠滿足流體多點精確測溫的需要。
1 總體設(shè)計
PIC18F6722是Microchip公司生產(chǎn)的增強型單片機，集成了豐富的硬件資源，包括兩個增強USART，一個SPI總線端口，54個I/O引腳，4個外部中斷，3 936字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的FLASH程序存儲空間和1 024字節(jié)的EEPROM，可以方便的與外設(shè)連接和通信。
8253是Intel公司的微型機外圍芯片，內(nèi)含三個獨立的16位可預(yù)置減法計數(shù)器和一個并行數(shù)據(jù)端口，可分別設(shè)置三個計數(shù)器的工作方式和讀寫計數(shù)值。SST25VF016是Silicon公司生產(chǎn)的16 Mbit SPI接口的串行FLASH存儲器，可以在失電的情況下長期保存測量數(shù)據(jù)。TLC555是德州儀器生產(chǎn)的功能完全兼容NE555的定時器芯片，具有更快的響應(yīng)速度，最高工作頻率可達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電阻分別與TLC555構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，測點溫度變化引起熱敏電阻的阻值變化，使得TLC555輸出頻率改變，實現(xiàn)T-F變化;2MHz標(biāo)準(zhǔn)時鐘為8253計數(shù)器提供時間基準(zhǔn)，用8253精確測量TLC555的輸出頻率;PIC18F6722設(shè)置8253三個計數(shù)通道的工作方式和計數(shù)初值，在結(jié)束時讀取8253計數(shù)值，將計數(shù)值轉(zhuǎn)化為測點的溫度，將溫度數(shù)據(jù)存儲在SST25VF106中或通過通信電路實時傳送到PC機處理和顯示。
2 硬件設(shè)計
多個熱敏電阻構(gòu)成m行n列的熱敏電阻陣列，需要m+n個MOS管，每個MOS管的柵極分別由PIC18F6722的一個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個熱敏電阻，分布在流體中待測溫度場的不同測點，TLC555振蕩電路采用了文獻中推薦的連接方式，輸出信號為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充電的時間常數(shù)
，放電的時間常數(shù)為τL=CTRB，可計算得到TLC555的輸出頻率TLC555CK，其他測點可依此類推。溫度變化引起R(2,3)變化，使τH改變進而引起輸出頻率TLC555CK改變。實現(xiàn)T-F變換。因為使用環(huán)境不同和器件老化等問題，測量系統(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放電周期對系統(tǒng)漂移進行校正。使用8253計數(shù)器精確測量TLC555CK，2 MHz標(biāo)準(zhǔn)時鐘提供時間基準(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，切換到下一個測點熱敏電阻進行測量。
8253計數(shù)器每個計數(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，在該方式下裝入計數(shù)初值且GATE為高電平后即開始在輸入脈沖的下降沿進行減1計數(shù)，OUT保持高電平，計數(shù)值減為1時，OUT輸出低電平并保持一個CLK周期，在下一個脈沖下降沿OUT輸出高電平，重裝初值計數(shù)。計數(shù)通道1和計數(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，在該方式下裝入計數(shù)初值不計數(shù)，當(dāng)GATE由低變高并保持高時進行減1計數(shù)，GATE為低時不計數(shù)，任意時刻GATE由低變高則裝載計數(shù)初值重新開始計數(shù)。
