運(yùn)用單片機(jī)的測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

蘇倩倩

（廈門(mén)工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

0 引 言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。與其他電子產(chǎn)品相比，單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如可靠性、延展性、體積大小等，且比傳統(tǒng)電子產(chǎn)品適用范圍廣。

1 MCS-15單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)概述

MCS-15單片機(jī)是當(dāng)前比較常用的單片機(jī)類(lèi)型，與其他類(lèi)型單片機(jī)相較，具有突出的運(yùn)行速度優(yōu)勢(shì)，尤其在指令傳輸層面。實(shí)際應(yīng)用中，它經(jīng)常被用作基本系統(tǒng)，包括4種裝置程序儲(chǔ)存器，應(yīng)用范圍廣泛[1]。

MCS-15單片機(jī)系統(tǒng)共有8位單片機(jī)，因此可以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控、信息交流等諸多功能。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，因?yàn)镸CS-15單片機(jī)存在一種單總線結(jié)構(gòu)和獨(dú)立電源，所以能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析。

對(duì)電路進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，為保障檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常會(huì)應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換器。運(yùn)行原理是使用自身處理把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，以便執(zhí)行指令同時(shí)完成對(duì)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用這種功能必須確保其具有非常高的精確度。

2 單片機(jī)輸入輸出口

MCS-15單片機(jī)內(nèi)部有4個(gè)端口，分別是P0、P1、P2、P3。每個(gè)端口分別有進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的緩沖器和進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的鎖存器，可以使單片機(jī)擁有非常高的數(shù)據(jù)傳輸性能，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)傳輸，如圖1所示。單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，處理通過(guò)鎖存器輸出的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)能夠通過(guò)I/0端口傳輸出來(lái)。這種數(shù)據(jù)傳輸方法十分簡(jiǎn)單、方便，且數(shù)據(jù)傳輸速度非常快。

圖1 MCS-15單片機(jī)示意圖

3 MCS-15單片機(jī)測(cè)溫設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

MCS-15單片機(jī)測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)必須在一定基準(zhǔn)上進(jìn)行，要確保測(cè)溫系統(tǒng)的管控、存儲(chǔ)等功能可以正常使用。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為：在0～45 ℃時(shí)，必須要保證溫度的可調(diào)控性，保證調(diào)節(jié)上限，理論上不能高出總調(diào)節(jié)值的1.3倍；在數(shù)據(jù)測(cè)量方面，溫度的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際溫度相差要控制在0.7 ℃之內(nèi)，保證精確性；保障人工調(diào)控[2]。

3.2 硬件框架

它的硬件組成包括AD590溫度測(cè)量傳感器和ADC轉(zhuǎn)換器。首先，需要使用AD590溫度測(cè)量傳感器檢測(cè)溫度。其次，利用ADC轉(zhuǎn)換器與電壓電容相連接。最后，用ADC轉(zhuǎn)換器連接MCS-15單片機(jī)。運(yùn)行過(guò)程中，ADC轉(zhuǎn)換器的BUSY端電平會(huì)發(fā)生一些列變化，變成高電平狀態(tài)證明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作順利完成。

4 單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題

4.1 基礎(chǔ)容易損壞

無(wú)論何種形式的單片機(jī)，都必須保證3個(gè)基礎(chǔ)的運(yùn)行始終正常，才能保障單片機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。3個(gè)基礎(chǔ)分別是電源、時(shí)鐘晶振和復(fù)位。如果3個(gè)基礎(chǔ)中的任何一個(gè)發(fā)生故障，都會(huì)直接導(dǎo)致單片機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，也會(huì)影響測(cè)溫電路系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.2 單片機(jī)內(nèi)部無(wú)法正常運(yùn)行

除了3個(gè)基礎(chǔ)易出現(xiàn)故障外，單片機(jī)的內(nèi)部還有其他結(jié)構(gòu)，一旦這些結(jié)構(gòu)發(fā)生問(wèn)題，也會(huì)給單片機(jī)的正常運(yùn)行帶來(lái)阻礙。因?yàn)閱纹瑱C(jī)故障形式比較復(fù)雜，所以對(duì)其進(jìn)行維修檢測(cè)時(shí)通常要使用寫(xiě)入程序來(lái)檢測(cè)。利用程序進(jìn)行檢測(cè)，可以準(zhǔn)確判斷單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否有故障，從而可以逐一排查故障原因，有利于盡快找到問(wèn)題的核心。

5 單片機(jī)的測(cè)溫電路

溫度在物理中是一個(gè)非常常見(jiàn)的物理量，自然界中發(fā)生的很多過(guò)程都與溫度有關(guān)。溫度傳感器是研發(fā)較早的一種廣泛使用的傳感器，主要類(lèi)型有熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器以及IC溫度傳感器[3]。圖2為測(cè)溫電路圖。

圖2 測(cè)溫電路圖

把3個(gè)輸出口全部設(shè)置成低電平輸出，使電容完成放電。將P1.7和P1.6同時(shí)設(shè)置成輸入狀態(tài)，P1.5設(shè)置成高電平狀態(tài)，利用精密電阻作用電容，使電容充電。這時(shí)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)清零且計(jì)時(shí)，能夠檢測(cè)P1.7輸出口的狀態(tài)。檢測(cè)P1.7是高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器會(huì)主動(dòng)記錄下剛開(kāi)始充電時(shí)直到P1.7輸出口轉(zhuǎn)變成高電平的時(shí)間T1。

把P1.5、P1.6、P1.7全部設(shè)置成低電平輸出，讓C放電完畢。再把P1.5、P1.7設(shè)置成輸入狀態(tài)，P1.6設(shè)置成高電平輸出狀態(tài)，利用RT電阻對(duì)電容C進(jìn)行充電。當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器進(jìn)行歸零且計(jì)時(shí)，檢測(cè)P1.7的狀態(tài)。確定P1.7的狀態(tài)為高電平時(shí)，讓單片機(jī)的計(jì)時(shí)器記錄下從充電開(kāi)始到P1.7變成高電平的時(shí)間T2。

再利用電容公式計(jì)算得到電阻，通過(guò)查詢電阻與溫度對(duì)照表可以得到溫度值。不同類(lèi)型的傳感器，電阻對(duì)照值不同。以PT100鉑電阻為例，電阻與溫度對(duì)照表如表1所示。

6 調(diào)試步驟

對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試需要使用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)板。實(shí)驗(yàn)板上沒(méi)有布線，且要用到的元件非常多，因此焊接時(shí)要非常注意，防止發(fā)生虛焊和短路情況。最好每次焊接完一條線路后使用萬(wàn)用表檢測(cè)焊接部位是否牢固。

表1 PT100鉑電阻和阻值對(duì)照表

6.1 電前檢查

所有電子電路在組裝完成后，一定要對(duì)線路展開(kāi)全面細(xì)致的檢查，防止發(fā)生短路情況。檢查的具體方法是根據(jù)順序按照電路圖逐一檢查。檢查過(guò)程中，要重點(diǎn)注意電源的連接是否正確、電源有沒(méi)有與地短接、集成電路和晶體管的引腳之間的連接是否正確，同時(shí)要用手觸碰元器件，查看焊接點(diǎn)有沒(méi)有焊接牢固。

6.2 通電檢查

電源的數(shù)值調(diào)試完成后，才可以與電源連接。連接好電源后，要仔細(xì)檢查有沒(méi)有發(fā)生異常現(xiàn)象，如冒煙、相關(guān)配件發(fā)燙等。一旦發(fā)生上述現(xiàn)象，必須馬上切斷電源，等到故障排除才能夠連接電源[4]。

6.3 分塊調(diào)試

分塊調(diào)試時(shí)，要根據(jù)調(diào)試的相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)試。調(diào)試的順序由信號(hào)的流向決定，可以將前面調(diào)試的輸出信號(hào)當(dāng)作后面的輸入信號(hào)，為整機(jī)聯(lián)合試調(diào)奠定基礎(chǔ)。

7 單片機(jī)故障檢測(cè)措施

7.1 單片機(jī)基礎(chǔ)檢測(cè)

根據(jù)單片機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)，檢測(cè)單片機(jī)時(shí)要采取可操作性強(qiáng)的措施。檢測(cè)電源必須使用電壓表、萬(wàn)用表等常見(jiàn)的檢測(cè)工具，分別檢測(cè)電源與接力腳。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為檢測(cè)引腳之間的電壓是否是5 V。檢測(cè)時(shí)鐘晶振時(shí)，多數(shù)情況要使用示波器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)鐘晶振的運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)其在相應(yīng)頻率內(nèi)是否有正弦波脈沖。檢測(cè)復(fù)位時(shí)，根據(jù)單片機(jī)復(fù)位時(shí)電平會(huì)呈現(xiàn)高電平復(fù)位狀態(tài)的特點(diǎn)，在連接電源后，復(fù)位引腳的電平通常會(huì)表示5 V左右的高電平。所以，檢測(cè)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，同樣可以應(yīng)用電壓表。

7.2 單片機(jī)內(nèi)部檢測(cè)

單片機(jī)內(nèi)部如果沒(méi)有正常運(yùn)作，會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)發(fā)生故障，從而使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。單片機(jī)的內(nèi)部檢測(cè)，可以利用寫(xiě)入程序檢測(cè)。

8 單片機(jī)更換重點(diǎn)

8.1 同型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行更換

當(dāng)單片機(jī)的內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行維修非常困難。大多數(shù)情況下，可以直接更換單片機(jī)。更換單片機(jī)時(shí)，要特別注意更換的單片機(jī)型號(hào)，保證與破壞的單片機(jī)型號(hào)一致，保證系統(tǒng)具有良好的兼容性。

8.2 更換時(shí)鐘晶振

時(shí)鐘晶振有兩種不同類(lèi)型，一是內(nèi)時(shí)鐘震蕩，二是外接時(shí)鐘。兩種類(lèi)型可以根據(jù)時(shí)鐘晶振內(nèi)部的石英晶體進(jìn)行區(qū)別。內(nèi)部時(shí)鐘震蕩的石英晶體范圍在2～12 MHz，外部時(shí)鐘內(nèi)部沒(méi)有石英晶體。確定時(shí)鐘晶振的類(lèi)型后，可以更換發(fā)生故障的時(shí)鐘晶振。

9 結(jié) 論

以單片機(jī)作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合理的電路測(cè)溫系統(tǒng)，可以對(duì)電路溫度起到良好的控制作用，從而切實(shí)提高設(shè)備的運(yùn)行速度。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)突出，使其在很多領(lǐng)域、設(shè)備上廣泛應(yīng)用，能夠組成工業(yè)系統(tǒng)中非常重要的器件和系統(tǒng)，如各種智能儀表、數(shù)控機(jī)床、測(cè)控系統(tǒng)等。