基于T89C51AC2多點溫度檢測系統的設計

馬艷，王貞，劉華波

0 引言

溫度檢測系統在工業生產過程中應用非常廣泛，比如在糧倉、陶瓷窯等場所都需要對溫度進行實時的監控。本系統采用主從式結構，各從站和主站都采用T89C51AC2作為控制器，從站的主要功能是用來檢測各個測溫點的溫度，并通過數碼管顯示該溫度值，溫度傳感器選用 PT100鉑電阻，各從站都可以獨立工作。主站采用輪詢的方式分時查看各個從站的溫度值，控制從站的工作，比如主站可以對從站的溫度值進行誤差校正以去除系統的零漂，主從站之間通過RS485進行串行通訊。系統的硬件電路由4個主要模塊構成：檢測模塊，通信模塊，控制模塊和鍵盤、顯示模塊，其功能框架如圖1所示。

圖1 系統的功能框架

1 硬件電路的設計

1.1 CPU 的選擇：

CPU選用 ATMEL公司生產的 51內核的單片機T89C51AC2。該芯片內部集成了32K Flash ROM、1K RAM、2K EEPROM，3個定時器，并有看門狗電路等實用的功能。由于內部集成了可在線編程的Flash ROM，不需要外接程序存儲器，從而節省了單片機外圍口線，以利于外圍端口擴展功能，而且ISP功能使其可以很方便地在對軟件進行在線升級。

1.2 從站電路的設計

系統采用PT100作為溫度傳感器，PT100鉑電阻適用于測量-60℃～+400℃之間的溫度，而且它的阻值隨著溫度的變化近似成線性變化。利用 PT100的溫度特性，設計測溫電橋，當環境溫度為 0℃時，電橋平衡，輸出電壓為 0V，當環境溫度變化時，根據電橋的輸出電壓計算當前的溫度值。

當溫度變化引起電橋的輸出電壓發生變化時，該變化量經過運放TL064進行放大，然后進行A/D轉換，為了保證A/D轉換的精度，系統選用了具有12位分辨率，單、雙極性輸出的雙積分A/D轉換器TLC2543。從測溫現場到A/D轉換之間的信號處理電路，如圖2所示：

圖2 從站信號處理電路

完成A/D轉換后，數據被表示成12位2進制數，將其設置為左對齊方式存放，從機需要將其轉換為相應的十進制數，才能送到LED顯示，同時等待接受來自上位機的指令，完成數據的串行傳輸。

1.3 主站電路的設計

系統的主站電路主要包括四個模塊：主控制器模塊、通信模塊、鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊。系統采用性能卓越的T89C51AC2作為主控CPU，負責整個系統資源的管理及協調各部分工作，使其各部分性能達到最佳工作狀態。

主站的通訊模塊選用RS-485。RS-485成本低，傳輸距離可達1000多米，具有多節點、傳輸成本低以及易操作的特點，通常應用于一對多點的主從應答式通信系統中。因此系統采用RS-485作為通訊網絡，用于主控制器和從控制器的通信。主從機的串口通信電路如圖3所示。

圖3 主從站的串口通信電路

系統采用HD7279A驅動鍵盤和液晶顯示器，HD7279A是具有串行接口的智能顯示驅動芯片，該芯片單片即可完成驅動LCD顯示和鍵盤接口的全部功能。

主站的控制模塊需要處理按鍵輸入、顯示輸出，并從各個從站讀取數據和向從站發送控制指令，例如發送溫度調整指令。主機在主程序中輪詢各個從機，在從機中通過串行中斷響應主機的指令，發送采樣數據或接收主機發送的溫度修正指令。由于串口被輪詢占用，主機的按鍵和顯示控制采用軟件模擬串行口向7279模塊收發數據。從機按主機發出的溫度修正要求對采樣數據作修正，并向主機傳送修正后的采樣數據。

1.4 電源電路的設計

為了保證測溫點的測試電橋和精密運放的正常工作，系統采用了一套±12V穩壓電源和一套+5V穩壓電源。選用固定式三端穩壓器CW7812、CW7805和CW7912，其電路簡單，成本低廉，穩定性好。

對于單相220V的交流輸入電壓，先選用三抽頭的變壓器降低電源電壓的幅值，整流電路采用兩路半波整流電路正負交替工作。既可提高帶負載能力，又可避免當正負電源各自采用全波整流時，使用的三抽頭變壓器因其中間抽頭共地，在電源負半周期出現短路現象。電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路的設計

2 軟件程序的設計

系統軟件的設計采用模塊化的程序結構，主要包括：鍵盤控制子程序、內部時鐘子程序、串口通信子程序和濾波程序等

2.1 鍵盤控制子程序

圖5 鍵盤控制子程序

2.2 濾波程序

為了保障 A/D轉換的精度，系統在程序中采用了多次采樣求平均值和剔除跳躍過大的采樣信號的算法。濾波程序的流程圖如圖6所示。

圖5 鍵盤控制子程序

3 提高精度的方法

為了提高系統的精度，除了在軟件上采用濾波程序外，系統還使用了以下兩種方法：

1、去除系統的零點漂移：將鉑電阻電橋的輸出電壓置零，由于集成運放存在一定程度的零漂，因此運放會輸出一個小電壓，將該電壓作為系統的零點漂移，在溫度結果中消除，消除的方法可以通過主站中的鍵盤輸入功能，手動輸入修正值，修正各從站的零漂，對不同的從站分別測試零漂的大小，分別消除。

2、鉑電阻電壓溫度關系的分段線性化：由于鉑電阻的溫度電壓關系存在一定的非線性，常用的線性化處理方法有兩種：（1）采用鉑電阻的擬合公式；（2）對鉑電阻的電壓溫度關系曲線采用分段線性化。在本系統的設計中選用方案（2），將0°C ～400°C的測溫范圍分為4段，實現分段線性化。

4 結語

在系統的測試中，由于0°C～400°C的寬溫度環境制造不易和其他測溫設備也存在一定程度的測溫誤差，因此系統采用的測試方案是采集測溫電橋的輸出電壓，轉換成鉑電阻的電阻值，對應鉑電阻的分度表查找相應的溫度值，將本系統的溫度輸出與標準分度表進行比較，具體的測量數據如表1所示：

表1 系統的測試數據

從測試結果可以看出，系統的工作可靠，誤差較小，這表明系統的設計方案合理可行。由于本系統的設計電路簡單，成本低廉，穩定性好，因此具有廣泛的應用價值。

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[5]PT100鉑電阻的分度表.