一種基于單片機的智能溫度巡檢儀設計

石 薇

（青島工學院，山東 青島 266300）

1 緒論

智能溫度巡檢儀是以單片機為核心的嵌入式系統，有些功能既可以通過軟件編程實現，也可以通過硬件配置實現，應當遵守“能軟不硬”的理念。軟件方案只需在軟件開發設計中一次性投入，同時能夠提高整機的可靠性。任何電子元器件都有老化失效的問題，整機的可靠性與采用元器件的數量成反比，減少使用的元器件數量，就相當于提高了整機的可靠性。

設計過程應當兼顧技術指標與經濟指標，技術指標再高的儀表設備。在設計過程中，選用的元器件與材料的市場供應渠道必須暢通。電子元器件、電子材料必須選用目前市場敞開供應的元器件與材料。

測量范圍：200～850℃。測量精度：優于0.5級。溫度巡檢周期：1s。巡回顯示周期：以秒為單位，可選定。工作環境溫度：0～50℃。相對濕度：小于85%。供電電源：220VAC，±10%，50Hz。

2 硬件系統設計

8路溫度巡檢儀的硬件由主機電路、前向通道、后向通道、人機接口電路、通信接口及供電電源幾部分組成。其中，主機電路由CPU、數據存儲器、程序存儲器、EEPROM存儲器、定時器/計數器、通用異步串行收發器、中斷控制器、WDT定時器及通用并行接口等部件組成；前向通道電路由Pt100轉換電路、濾波電路、多路模擬開關電路、放大電路、A/D轉換電路組成；后向通道電路由D/A轉換電路、多路模擬開關電路、V/I轉換電路、繼電器驅動電路組成；人機接口電路由按鍵和LED數碼管組成；通信接口電路由RS-485接口電路組成；供電電源電路分別向系統數字電路提供邏輯5V電源，向模擬電路提供±12V與±5V模擬電源。

主機電路設計的核心是選擇一款恰當的嵌入式處理器，其處理速度、內含的存儲器容量、內含的功能部件盡可能滿足系統要求。

8路溫度巡檢儀屬于實時性很強的嵌入式系統，實現實時性操作的硬件基礎是定時器。對本設計任務來講，需要1路定時器來產生時鐘節拍，實現實時操作；需要1路定時器來作為串行通信的波特率產生器；需要1路定時器來實現A/D轉換操作，因此至少需要3路定時器/計數器。為了支持RS-485通信，必須有1路通用異步串行收發器UART。看門狗定時器（WDT，Watchdog Timer）是微機系統唯一完全有效的硬件抗干擾措施，因此系統必須采用WDT。為了實現主機電路與前向通道、后向通道、人機接口部分的硬件接口，主機電路應當具備20～30個GPIO。

綜合上述各項要求，采用以MCS-51為內核的美國ATMEL公司生產的AT89C55WD單片機比較適宜。電源電壓監測采用X5045出廠時默認的數值即可。

前向通道的任務是接收溫度傳感器Pt100鉑電阻的信號，將其轉變為單片機能夠進行處理的數字信號，由信號轉換電路、動態穩零電路、多路模擬開關、阻抗匹配電路、放大電路、A/D轉換電路等幾部分組成。

信號轉換電路由9個惠斯登電橋組成，實現將8路Pt100溫度傳感器輸出的電阻信號轉換為電壓信號。采用惠斯登電橋的方式進行R/V轉換的主要優點是，利用橋路的對稱平衡特點，有效地克服供電電源Va波動，克服Pt100引線電阻影響，克服橋路電阻溫漂問題。在本設計中選用美國Intersil公司生產的ICL7135雙向積分生式A/D轉換器。只要將ICL7135的時鐘信號接入AT89系列單片機的計數器，記錄BUSY為高電平時所經歷的時鐘周期，將所記錄的時鐘周期數減去10001后就是A/D轉換的數字碼。

后向通道電路由4～20mA模擬量輸出電路與超限報警開關量輸出電路兩部分組成。該電路是將所檢測的每路溫度都對應地輸出一個與之成線性關系的4～20mA電流信號，以便根據需要供給調節器、記錄裝置或DCS系統。當某路溫度超過設定的報警值時，輸出一個機械接點信號，便于連接聲、光報警裝置，進行報警提示。

人機接口電路由按鍵接口電路與顯示器接口電路組成。用3個按鍵，即可實現各種操作需要。智能儀器設計，必須考慮對某種網絡的支持，方便構成局域測控網絡，以便實現更高程度的集中監控和更大范圍的數據共享，設計了以MAX487E芯片為收發器的RS-485總線通信接口電路。

3 軟件設計

整機的軟件設計任務有4項，從實時性要求考慮，從高到低依次為：通信任務、數據采集與溫度計算、人機服務和系統初始化。系統初始化程序在開機時運行一次即可，不在考慮范圍之內。當構成一個數據采集局域網絡時，本機在網絡中處于從站地位，本機響應網絡的最大時間延遲為主站發出一幀信息的時間，超過這個時間延遲，主站的調度命令得不到響應，將降低整個網絡的通信效率，因此通信任務應作為本機最高級別任務。人機服務主要是按鍵響應任務，人的按鍵動作時間一般在100ms左右，只要在這個時間內做出響應即可，實時性要求不高，安排為最低級別任務。數據采集與溫度計算任務作為中間級別任務。

為了保證三項任務按預定優先級別執行，需要通過中斷機制實現。通信任務在串行通信中斷服務程序中完成，其中斷設置為高級中斷，數據采集與溫度計算任務安排在外部中斷服務程序中完成，其中斷設置為低級中斷，人機服務任務安排在主程序中完成。

人機服務任務是實現儀器的操作使用，人機服務程序安排在主程序中運行。一開始執行主程序時，需要首先運行系統初始化程序，初始化程序僅需開機時運行一次。主程序僅包括初始化程序和人機服務程序。

每個通道A/D轉換結束時，都以中斷的形式通知CPU，每個通道的數據采集與溫度計算都在中斷服務程序中完成。一共用了9路數據通道，0路為動態零點數據，1～8路為8路溫度數據。每次采集數據通道的通道號，都存儲在“CH_NO”單元中。每次采集的數據首先經過預處理，在預處理中減掉10001個數字碼，剩余的為二進制數形式的A/D轉換數字碼。為便于后級溫度計算，還要將二進制數轉換為BCD碼形式。接下來進行動態穩零處理，即將該通道的A/D轉換數字碼減去零點數據，則差值是消除了運放漂移影響的、由現場實測溫度決定的數據。最后進行溫度計算，且通過多路開關為A/D轉換器打開下一通道。

根據通信接口電路，可以將本儀表納入到總線拓撲的RS-485網絡中。網絡的介質訪問方式為主從方式，主機為PC，而本儀表處于從機地位。從機在接收到主機的調度命令后，可以占用信道，將主機要求的信息發送到RS-485網絡中。主機通過相應的通信協議，可以讀取從機采集的8路溫度、報警設定數據，以及重新設定從機的有關參數。凡是從機可以就地顯示和設定的參數，都可以通過主機發出相應的命令實現，以提高局域測量網絡的集中監控能力。在從機不發送信息時，處于接收狀態。

4 結論與展望

本系統設計性能穩定，為以后能夠通過單片機編程進行各種功能的擴展，還增加了片外程序存儲器的擴展。用數字式溫度傳感器DS18B20對溫度進行采集，輸出數字量與單片機直接通訊，無需外加A/D轉換器，使用更加方便。采用LMO41L液晶顯示器對八路溫度進行顯示，顯示效果好且連接方便，通過程序定義顯示地址，16字×4行的屏幕顯示可以將八路溫度同時顯示在屏幕上，當有某一路或謀幾路溫度超限時，可立即觀察到是哪一路或哪兒路溫度超限，從而可以及時準確的控制該路溫度回到限定范圍內。

智能溫度巡回檢測系統目前完成的是對多路溫度的采集、處理、顯示以及對溫度報表的管理。系統主要分為兩大部分：在上位機通過測溫管理軟件實現對多個測溫點溫度數據的巡回采集、處理、實時直觀顯示和多顯示和多溫度報表的管理；在下位機通過單片機控制各個測溫點完成溫度轉換并與主機實現多機通訊。

智能溫度巡回檢測系統雖然實現了對溫度的集中監視和管理，但還沒有包括相應的反饋控制部分。因為不同的監控場合有不同的控制要求，可以針對具體的要求加入相應的控制部分。這是系統非常值得擴展的空間之一。目前的系統中作為下位機的單片機，還有很多的資源沒有利用，系統有充分的擴展余地。