基于單片機控制的高精度溫度儀表的設計

林國

摘 要:本文以P87C54單片機為主要核心部件,通過對A/D轉換、串口通信、鍵盤設置等模塊的軟件編程,設計了一個測量精度高、線路簡單、操作方便,并能與上位機(計算機)通信的智能型高精度溫度儀表。

關鍵詞:單片機串行通信儀表

中圖分類號:TN93 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0026-02

1引言

模擬的高精度溫度儀表存在外圍電路復雜、調試煩瑣、操作麻煩、無法與上位機通信等缺點。針對上述問題,本文闡述了基于單片機控制的智能高精度儀表的設計方案。該儀表不僅能精確測量溫度,對被控對象進行精確的溫度控制(控制精度±0.01℃),而且能把測量的溫度傳送到計算機上處理并且打印,以便使用者分析處理。

2儀表的功能

本儀表采用PT100熱電阻測溫,測量精度為0.01℃,不僅能精確測量被測系統的溫度,而且能數字顯示溫度大小,具有動態顯示、性能溫定、控制精度高等特點。概括起來儀表具有如下功能:

(1)采用PT100熱電阻測溫,測溫范圍為-100.00～300.00℃,顯示值基本誤差:±0.2%FS;

(2)具有RS-232串行通信接口,可以和上位機進行通信;

(3)通過輕觸按鍵可以設定溫度及一系列控制參數;

(4)雙窗口10位數碼管動態顯示測量溫度和設定溫度。

3儀表的硬件結構

本儀表主要由Philips P87c54單片機和外圍電路及其相應的軟件編程構成,如圖1所示。

本儀表可分為以下6個模塊:A/D模塊、顯示模塊、鍵盤輸入、串口通信模塊、輸出控制模塊、電源模塊。

本文主要介紹A/D模塊、通信模塊(MAX232)及鍵盤輸入。

4關鍵芯片及技術

4.1 A/D模塊

本設計采用了CRYSTAL公司生產的20bitA/D專用芯片CS5513。它是一種低成本、易于使用的Δ-ΣA/D轉換器,其內部包括一個4階Δ-Σ調制器和一個濾波器。CS5513片上自帶振蕩器。無需外加時鐘源。CS5513的基本參數和特點如下:

●Δ-ΣA/D轉換器;

線性誤差:±0.0015%FS;

無噪聲分辨率17位;

●差分模擬輸入(雙極性);

●參考電壓范圍為250mV～5V;

●輸出字速率為16～326;

●帶有片上振蕩器;

●可配置成5V單電源和多種雙電源;

●采用8腳SOIC塑料封裝,可節省設計空間。

原先模擬的高精度儀表數據采集部分使用的是通用的16位雙積分式模/數轉換器7135,其采集速度慢、外圍電路多、線路復雜。現在采用CS5513后,PCB板面積只有原來的五分之一。同時由于是串行接口,因而與單片機的接口非常簡單,其采集速度可達到100多Hz,采集精度也進一步提高。

本設計的A/D模塊的硬件電路圖如圖2所示。

J1接PT100傳感器,其與R1的分壓和R2與R3的分壓差分輸入到CS5513的Ain+和Ain-。而CS(CS5513的片選)、SDO(串行數據輸出)和SCLK(串行時鐘輸入)接單片機端口。

A/D轉換的步驟如（圖3),先將CS置0這樣就可以對CS5513操作了,此時單片機可以根據SDO當前的電平高低來判斷CS5513的工作狀態,并讀取數據,從圖3可以看出CS5513的轉換結果讀取過程十分簡單。

4.2 RS-232串口通信

單片機與計算機之間的雙向RS-232通信的目的是把儀表的溫度測量值、設定值及其他參數傳到上位機(計算機),上位機通過軟件接收數據,并進行更進一步的處理。

單片機通過MAX232轉換模塊與PC機相連,單片機晶振采用11.0592M,使用T2定時器產生波特率,波特率為9600bit/s。數據傳送格式為1個起始位0、8個數據位(二進制,最小有效位先發送)、2個停止位1(無校驗)。

4.3 鍵盤設置

模擬表通過電位器來設定溫度,操作麻煩。針對這一問題,本儀表在面板上設置了“SET、＜、∧、∨”四個按鍵,用來設定各種參數,并通過鍵盤接口的編程把各模塊聯系起來統一工作,使用者操作起來簡單明了。

5軟件設計

由于本儀表采用單片機控制,所以必須有強大的軟件系統支持。本儀表的軟件系統由一個主程序和多個子程序組成如圖4。

儀表的軟件系統總的來說由四大部分組成:

(1)系統的初始化。

包括P87C54芯片本身的初始化,串口、鍵盤接口、顯示模塊的初始化。

(2)鍵盤掃描及鍵盤功能程序

通過該程序可以修改儀表所有參數,可以達到用戶所需的要求。

(3)數據采集、顯示部分。

(4)PID計算程序及輸出控制程序。

PID 1秒鐘計算一次,每次計算出合理的控制量,以便達到精確控制溫度。

6結語

本方案設計的高精度溫度儀表能滿足當今用戶對高精度溫度儀表的精度、外觀、操作等各方面的要求,現已經形成產品并大量應用于工業現場,取得了一定的經濟效益。

參考文獻

[1] 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計.北京航空航天大學出版社,2001.

[2] 潘新民.微型計算機控制技術.人民郵電出版社,1999.