基于單片機的溫度數據采集器

摘 要：介紹了基于單片機的多通道溫度數據采集器的設計，采用AT89C52單片機作為CPU，設計了能與多種溫度傳感器配合使用的信號調理接口電路，并且提出基于軟、硬件相互配合解決了熱電偶測量過程中冷端溫度補償的方法，通過分析干擾對系統的危害性，設計了“看門狗”電路；設計了RS 485串行通信接口，以便與上位機進行數據通訊。同時設計了一部分和硬件配套的軟件，編寫了串行通訊程序和A/D轉換子程序。

關鍵詞：數據采集；冷端補償；數據通訊;熱電偶測量

中圖分類號：TP274文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1911004

Temperature Data Acquisition Instrument Based on the Single Chip Computer

WU Lin，YANG Lin，ZHAO Guifeng

(Dalian Polytechnic University，Dalian，116034，China)

Abstract：The design process of multi-channel data acquisition instrument based on the single chip computer is introduced.Using AT89C52 single chip computer as CPU，the interface circuit of signal mediation to interface with many sensors are designed，and a method based on software and hardware to solve the problems of cold junction compensation of thermocouple in the course of measurement.According to analyze the fatalness of the anti-jamming to the system，\"watching dog timer\"and RS 485 communication interface in order to communicate with PC are designed.At the same time，a part of corresponding software，series communication and A/D convert programmer are designed too.

Keywords：data acquisition;cold junction compensation;data communication;thermocouple measurement

在煉鋼過程中，測量鋼水的檢測環境極為惡劣，尤其是轉爐，鋼水溫度達1 500~1 700 ℃，有時甚至超過1 750 ℃，而且測量過程中鋼水液面激烈攪動，強烈沖刷傳感器，因此，在類似于鋼水溫度測量的特種溫度測量中，傳感器一般都有其特殊要求?，F場總線是用于智能化現場設備和基于微處理器的控制室自動化系統間的全數字化、多站總線式的雙向多信息數字通信的通信規程，是互相操作以及數據共享的公共協議?；谶@一應用背景，本采集器支持現場總線，采用RS 485標準與上位機通訊，大大拓展了本采集器的應用范圍。

1 溫度傳感器的選用

溫度檢測有許多方法，但本采集器應用于高溫測量，只能處理由溫度信號轉變來的電壓信號，因此采用熱電偶來作為溫度檢測的方法。熱電偶結構簡單、容易制造、價格便宜、準確度高、測溫范圍廣，目前己經在許多場合應用。

本采集器本著通用性出發，設計時考慮到應適合多種熱電偶測量，這樣能大大提高采集器使用范圍，用戶可根據不同的測溫范圍選擇相應的熱電偶。本采集器采用5種熱電偶，分別是：鉑銠／鉑熱電偶，鎳鉻／考銅熱電偶(雙鉑鍺)熱電偶，銅/康銅熱電偶，鎳鉻-鎳硅熱電偶。用戶可以根據實際測量溫度范圍選擇合適的熱電偶，以便滿足使用要求又不浪費。

在一定溫度范圍內，與所用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的導線稱為補償導線。若與所配用的熱電偶正確連接，其作用是將熱電偶的參考端延伸到遠離熱源或環境溫度較恒定的地方。通過使用補償導線，可以改善熱電偶測溫線路的機械與物理性能，同時降低測量線路的成本。

在一定溫度范圍內，補償導線熱電性能與熱電偶基本一致。它的作用只是把參考端移至離熱源較遠或環境溫度恒定的地方，但不能消除參考端不為零度的影響，因此必須進行冷端補償。熱電偶冷端(參考端)通常放在室內為室溫，則需要對查表得到的溫度進行冷端補償。

傳統的方法，通常采用冷端補償器來進行冷端補償。每支熱電偶必須配上相應的冷端補償器和補償導線，由于加入的補償導線的差異會帶入一定的誤差，而且接線較多、安裝不便。因此采用輔助測溫元件微型計算機補償法。該方法的基本思想是在傳感器內靠近敏感測量元件安裝一個測溫元件，用以檢測傳感器所在環境的溫度。測溫元件的輸出經放大及A/D轉換送至計算機進行處理。如圖1所示。

我們用的測溫元件是金屬膜電阻，它的測量精度高，價格便宜。金屬膜電阻可以用二線制、三線制、四線制接法。工業用的一般是三線制，消除導線電阻的測量誤差。金屬膜電阻不需用補償導線傳輸信號，用普通電纜即可傳輸信號，這樣可以降低成本。三線制接法如圖2所示。

在此電路中，銅線繞制的熱電阻Cu50起冷端補償作用。當熱電偶的熱電勢EAB隨冷端溫度的變化而變化時，銅電阻Cu50兩端的電壓也隨之反方向變化，R₃的阻值根據采用的熱電阻分度號不同而取不同的值，如Pt₁00測量時取100 ℃，Cu50測量時取50 ℃。這樣才能保證參比端溫度為0 ℃所對應的電壓輸出也是0。A和B兩點的電位差EAB是熱電偶參比端溫度為T0時所對應的校正值。一般R₁＝R₂＞＞R₃。

2 硬件電路設計

2.1 系統總體設計

采集器總體框架如圖3所示。

整個采集器除感溫元件外，主要由放大電路、數據轉換電路、單片機以及信號調理電路組成。感溫元件檢測溫度后，將溫度信號轉變成電壓信號，由于溫度測量元件的輸出電壓非常小，因此必須經過放大后才能被準確測量。電壓信號經過A/D轉換后變成數字信號，由單片機進行數據處理及進行相應的操作。

2.2 信號輸入部分設計

2.2.1 模擬信號輸入部分總體設計

熱電偶出來的是微弱的模擬電壓信號，首先經過濾波電路消除干擾，然后經過放大器將微弱的電信號放大為與A/D所匹配的輸入電壓。由于單片機只能處理數字信號，故需對這些信號進行A/D轉換，變為數字信號。該部分主要由濾波電路，一片集成運算放大器OP07和1片8選1的模擬開CD4051組成增益可調的放大電路，輸入信號和冷端補償信號通過另一片8選1的模擬開關CD4051引入，采用一片ICL7135將輸入的模擬信號轉變為數字信號送入數據存儲器。輸入部分電路如圖4所示。

2.2.2 芯片選擇與原理圖設計

（1） 濾波電路

為使信號在進入采集電路或接口電路之前就消除或減弱這種干擾，可在信號線上加上濾波器。電阻R和電容C組成R-C濾波器。在信號線間采用R-C法濾波，會對信號造成一定損失，對于特別微弱信號，當采用此法抑制干擾時，應當注意這一點^［1］。

（2） 模擬多路開關

在該設計中，熱電偶的冷端和采集器處于同一溫度下，為了實現熱電偶的冷端補償，就必須測量出所處環境的溫度，在此采用金屬膜電阻作為環境溫度的檢測元件，其輸出同樣是模擬信號，因此也必須經過A/D轉換器進行轉換，此外，該采集器可以測試多個點，相應有多路信號，為了降低成本，多路輸出的電壓信號共用一個A/D轉換器，因此就要用到多路轉換開關，實現多路信號的選擇。選用的CD4051是單片集成的CMOS8通道模擬多路開關，它有3個輸入端A，B，C和一個禁止端INH。從A，B，C輸入的信號用來選擇8個通道中的一個。INH=1時，通道斷開，禁止模擬量輸入；當INH=0時，通道接通，允許模擬量輸入。

（3） 放大器

熱電偶的輸出電壓經過濾波和多路選擇開關后，將輸出電壓送給放大器進行放大，以便放大后的輸出電壓和A/D轉換器的量程相匹配。本文選用低溫漂高精度集成運算放大器OP07，精度可達到±0．1 ℃，滿足測量精度的要求。它輸入阻抗高，共模抑制比大，將傳感器送來的微弱直流電壓信號放大后輸出給ILC7135。由于本采集器可測量多路信號，每路信號大小不同，但又共用一個A/D轉換器，因此每路信號的增益不同，為此利用多路模擬開關CD4051和運放OP07來組成一個多增益的放大器，使它們將各自輸出的微弱電壓信號經過不同放大倍數的放大后都能達到A/D轉換器的滿量程。

（4） A/D轉換器的選擇

鑒于溫度信號的特點，選用雙積分式A/D轉換器ICL7135。ICL7135的時鐘信號源于AT89C52的T2計數器，同時接至AT89C52的T1，利用T1計數器記錄BUSY為高電平時的時鐘周期數。BUSY信號接至AT89C52的外部中斷INT1，其意圖有兩個:第一，控制T1計數。當T1計數器工作于方式1時，通過軟件設置GATE為“1”時，T1計數受INT1控制，當INT1（即BUSY）為高電平時，T1可對來自外部的脈沖（即ICL7135的時鐘周期）計數，INT1為低電平時，停止計數；第二，當BUSY信號由高電平跳變為低電平瞬間，以中斷形式通知CPU，讀出A/D轉換后的數字碼。

（5） 看門狗電路

根據設計的要求這里選擇美國公司的X5045芯片Watchdog。該芯片集Watchdog、電壓監控和E2PROM三種功能為一體，只占用單片機4個I/O口，可以起到可編程看門狗，監控電源復位，斷電后保存數據等功能。這種組合降低了系統成本并減少了對電路空間的要求。本文采用的X5045的看門狗定時器對單片機提供獨立的保護系統。若單片機沒有訪問X5045（即表示系統出現故障），看門狗將輸出RESET信號，將其RESET輸出端置為高電平。延時約200 ms后，RESET端由高電平變為低電平，將單片機復位。

電壓監控上電時，電源電壓高于4.5 V后，經約200 ms的穩定時間，RESET信號由高電平變為低電平；掉電時，電源電壓低于4.5 V時，RESET信號立即變為高電平直至電源電壓恢復穩定為止。這樣就保證了單片機可靠復位以及電源電壓不穩定時，單片機不會出現死機和錯誤動作。

（6） 通訊部分設計

本數據采集器是支持現場總線的，它和主機之間就應該能夠進行相互通訊，互傳數據信息，這種信息的交換和傳輸通過通信接口和數據總線來進行?；诒驹O計的實際應用性，我選擇RS 485接口。RS 485接口芯片采用MAX487E，這種芯片功耗低，采用一對雙絞線實現半雙工RS 485網絡的連接，數據傳輸速率可達10 Mb/s，通信距離可達1 200 m^［2］。

（7） 電源模塊設計

本設計中需要的電源有模擬電源±5 V，數字電源+5 V。由于工業現場提供的是24 V直流電，這就需要實現DC-DC之間的變換。本文選用常用的DC-DC轉換器MC34063，它是一種單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分，片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器驅動器和大電流輸出開關，能輸出1.5 A的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

模擬電源和數字電源混合供電，彼此之間會產生干擾，供電電源的不穩定會嚴重影響系統的精度。為了減少干擾的影響，模擬電源和數字電源應采取隔離措施，分別供電。在此采用隔離變壓器將系統中的數字5 V和模擬5 V隔開。單片機系統應用各種穩壓器以提供系統所需的各種電源。78、79系列集成穩壓器是串聯調整穩壓器。

3 軟件設計

3.1 采集器軟件總體設計

整個溫度檢測過程是在程序控制下工作的，該采集器的軟件全部采用匯編語言編寫，以提高采集器的快速性和實時性。其設計方法與硬件設計相對應，同樣采用模塊化的設計思想，將該部分設計劃分為相應的程序模塊，分別進行設計、編制和調試，最后通過主程序和中斷處理程序將各程序模塊連接起來。這樣有利于程序修改和調試，增強了程序的可移植性。整個軟件系統主要有以下幾部分:主程序、數據采集、數據變換處理、串行通訊及系統監控等程序。

3.2 主程序設計

采集器的主程序設計主要完成系統初始化、中斷優先級設定以及判斷調用各模塊程序，即主要實現各程序模塊的連接。本采集器軟件設計串行通訊程序級別最高，單片機首先檢測上位機是否有命令，如果有則按其命令要求執行。如果沒有則執行別的任務。程序框圖如圖5所示。

3.3 數據采集子程序設計

該部分主要實現將來自熱電偶傳感器的模擬信號轉換為數字信號的功能。由電路連接圖可知，ICL7135轉換器工作于中斷方式。當ICL7135轉換完畢時，BUSY由高電平變為低電平，通過INT0而向AT89C52請求中斷。該程序主要有A/D轉換器啟動程序、中斷等待轉換結束、讀取轉換結果并存入RAM等幾步。程序框圖如圖6所示。

3.4 串行通訊程序設計

AT89系列單片機內部有一個功能很強的全雙工串行口，該口有四種工作方式，以供不同場合使用。波特率可以由軟件設置，由片內的定時器/計數器產生。接收、發送均可工作在查詢方式和中斷方式，使用十分靈活。AT89系列單片機內部的串行口，有2個物理上獨立的接收、發送緩沖器SUBF，可同時發送、接收數據。發送緩沖器只能寫入數據不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入，兩個緩沖器占用同一地址(99H)。

為了確保通訊成功，通訊雙方必須在軟件上有一系列的約定，即軟件協議。本程序約定如下：

(1) 波特率設置：T1方式2工作，波特率9 600，計數常數FAH，晶振11.059 2 MHz，SMOD=1。

(2) 串行口初始化：方式1，允許接收。

(3) 中斷服務程序入口：0023H。

為了保證通訊的可靠性，通常波特率相對誤差不大于2.5%，這一點在設置波特率時要注意^［3］。

程序流程圖如圖7所示。

參考文獻

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