TA9-IRR智能温控表MCU主板电路设计优化

MCU主板电路包括MCU基本电路、温度检测信号输入电路和温度补偿电路、基准电压形成电路等，如图3-19所示。

图3-18 LS145内部逻辑电路图

图3-19 TA9-IRR智能温控表的MCU主板电路

PIC16J73系列MCU器件，为带10位A-D的40引脚8位CMOS闪存单片机，运算速度、内部功能指令应用比一般单片机优越，内含比较器模块、捕捉输入、脉宽调制PWM等电路，2000年前后，在工业控制领域，得到广泛的应用。

MCU功能强大，大部分引脚有复用功能，如引脚有5种复用功能，可由软件方法灵活选择和设置其功能。其中标注为RAx/RBx/RCx/REx的为I/O接口，为数字I/O引脚（或设置为该功能）；标注为ANx的为模块信号输入引脚（或设置为该功能）；标注为VREF＋、VREF-的为A-D参考电压的高、低电平输入引脚，A-D参考电平也可由软件方法对VDD、VSS输入电源电压分压取得；电源引脚、时钟引脚、各种系统运行的控制信号，RST、INT、ALE等信号输入；SCK、SDA、RX、TX等串行时钟及数据信号的输入/输出；比较器输出位CxOUT等输出信号；CCPx等比较器输出、PMW脉冲输出引脚等。其中数字I/O接口，用于对输入/输出开关量信号的处理，如作为数码显示器的驱动信号、控制继电器的驱动信号等；模拟量输入端，用于输入温度检测信号、参考温度信号、A-D转换基准电压等信号。

MCU芯片U6的8、19、20引脚为电源电压输入端；9、10引脚外接晶振元件XT1和补偿电容C14、C15（起频率微调作用，影响振荡的稳定度和起振速度）；本例电路MCU芯片的复位控制脚1脚未接入外部复位电路，采用的芯片上电复位功能（又称内部复位），芯片内部集成有POR上电复位电路，芯片上电后会自动实施复位动作，有时该引脚经电阻或直接与供电电源正端短接，起到上电自动复位的目的。也可在该脚引入强制复位信号，本例电路的输入信号是空置（RST Nc）的。由于芯片内部的存储器容量有限，所以外挂U8可读写存储器，用于存储用户设置的控制参数等。上述供电、复位、晶振、存储器等电路，构成MCU正常工作的基本条件。

U6的21～28脚输出的数字信号，为数码显示器的“段开关”信号，控制每位显示器显示段的亮灭；RA0～RA3输出信号，为数码显示器的“位开关”信号，两者共同作用，使显示器显示正确的温度检测值及设定值，在输入按键操作信号时，显示参数代码及参数值。控制继电器的驱动信号由11、17脚输出；12脚输出PMW脉冲信号，经后续电路处理为4～20mA电流信号输出。温度检测信号由13脚输入，U6内部程序即重点对13脚输入的温度检测信号与温度设置信号进行比较处理，经PID运算后，其执行结果由11、17脚输出开关量控制信号；同时改变13脚输出PWM脉冲的宽度，使输出4～20mA电流信号产生相应变化，最后达到使显示的PV、SV两值相等或最大限度的接近。

MCU的外围电路，U1、IC1、U4等数字、运放电路，用于处理温度传感器——热电阻RTD采集到的现场温度信号，这个处理过程是在MCU的控制下进行的，与软件控制程序密切相关，信号的处理过程，有软、硬件结合的特点。MCU输出的数字控制（二进制）信号，输入至三组二选一（相当于3组单刀双掷开关）开关电路U4（HCF4053）的9、10、11脚，对内部3组二选一开关的合、断进行控制，以改变温度检测电路的信号处理和传输方式。将U4内部模块开关电路进一步分解，形成如图3-20所示的温度信号处理电路（下文详述其工作原理），对其工作过程便有了更为直观的认识。

供电电源的－7.5V电压，经R1、Z1稳压电路，处理为－2.5V的基准电压，用于温度检测电路的参考基准。

U1电路又构成恒流源输出电路：U1信号输入、输出端之间串入了电阻R53，U1输出电流=输入端两信号之差/（R53＋RTD），在输入基准电压为稳定值时，电路具有恒流源特性，能为RTD提供一个稳定的电流源。在使用RTD时，RTD流过测量电流而产生“自热”，如流过的测量电流不稳定，则会产生随机性误差。温度变化引起了RTD的电阻变化，测量端的输出电压信号也在同步变化，但流经RTD的电流值却能保持恒定，一定程度上提高了测量精度。本例电路参数，R53两端的恒定电压约为1.38V，流经传感器RTD的恒定电流为0.2mA。

换一种角度看，U1接成差动放大器的电路（减法电路）形式，RTD将温度变化引起的电阻值变化，转化为毫伏线性电压信号输入至U1的同相输入端5脚，与反相端输入的基准电压相比较，两信号的差值被输出，温度上升时，输出信号往正的方向变化。R4、R45、C2组成温度补偿电路，消除RTD引线电阻随温度变化带来的测量误差。U1输出端1脚的输出

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图3-20 TA9-IRR智能温控表的温度信号处理电路

电压信号，经C5、R18、C6、R19、E3组成的低通滤波器，滤除可能存在的高频干扰信号后，将温度检测信号送往后级电路。

U4内部3组切换开关接受MCU的信号控制，而处于不同的连接组态（见图3-20）。

1）温度检测信号传输通道：在MCU采集RTD输送的温度信号时，模拟开关K1、K3、K5处于“通”状态，温度检测信号先送输入电压放大倍数为50的N2同相放大器放大至一定幅度后，再送入RC4558（含两级运算放大器N3、N4）处理，经光耦合器IC1进行光隔离后送入U6的13脚。

2）环境温度检测信号传输通道：电子电路有“温漂”特性，在一定程度上对温度的检测精度有所影响。因而检测环境温度的变化，对电路的输出值进行随机性修正，就很有必要了。利用晶体管S9014的发射结电压随温度变化其导通压降产生变化的特性，来检测仪表安装环境的温度变化，取得环境温度检测信号。

当K2、K3接通时，环境温度检测信号也传输至N3、N4电路，经处理后送MCU。

3）－2.5V基准电压检测通道：温度检测电路，需用到一路基准电压，作为模拟比较的参考。该电路的正常与稳定，影响到信号传输的精度和稳定。当K6闭合时，－2.5V基准电压也经N3、N4电路传输至MCU。

3路模拟信号的公共传输通道（末级电路）即N3、N4电路的构成，有点出乎意料（试分析）：

1）N3为典型的对数放大器电路，而温度传感器为RTD器件，输出信号是线性的，用对数放大器将线性信号处理为非线性信号，似无必要。或换一个角度，将N1看作是一个对输入正向信号有限幅作用的积分放大器，但对信号的积分处理，更多地取决于软件程序的I值设置。

2）N4与外围元件组成迟滞电压比较器电路，3脚输入温度信号与2脚的－1V基准电压相比较（经R2、R6、R7对－2.5V基准电压分压取得），更是将输入模拟信号变成了“开关量”信号，此种开关量信号占空比是受控于输入信号的幅度而变化的。

输入N2、N3、N4的温度检测信号，是在MCU输出控制下，由CD4053内部K1～K6开关控制切换下进行传输的，K1～K6的切换与切换速度及信号内容，取决于MCU的输出控制信号，如何切换，是出于设计者（软件编程者）的意图，单从硬件电路上不易得出准确的分析。如此一来，经过模拟开关电路的控制，信号通道所传输的连续的模拟信号，在切换信号作用下，就成为了离散的“开关”信号，但信号幅度，仍含有“模拟量”的信息——决定着N4输出信号的宽度。

这样，我们就不能以纯粹模拟电路的眼光和角度，来分析和对待如图3-20所示的温度检测电路了。N3、N4电路，是将输入模拟电压信号的幅度转变成开关量信号的宽度，起到了A-D转换作用，U6的13引脚进入的开关量信号，其宽度变化（即H、L电平的时间比例）表征了温度检测信号、环境温度检测信号及基准电压检测信号的大小和是否正常。