一種基于單片機(jī)的智能溫度巡檢儀設(shè)計(jì)

石 薇

（青島工學(xué)院，山東 青島 266300）

1 緒論

智能溫度巡檢儀是以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，有些功能既可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件配置實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)遵守“能軟不硬”的理念。軟件方案只需在軟件開發(fā)設(shè)計(jì)中一次性投入，同時(shí)能夠提高整機(jī)的可靠性。任何電子元器件都有老化失效的問題，整機(jī)的可靠性與采用元器件的數(shù)量成反比，減少使用的元器件數(shù)量，就相當(dāng)于提高了整機(jī)的可靠性。

設(shè)計(jì)過程應(yīng)當(dāng)兼顧技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，技術(shù)指標(biāo)再高的儀表設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中，選用的元器件與材料的市場(chǎng)供應(yīng)渠道必須暢通。電子元器件、電子材料必須選用目前市場(chǎng)敞開供應(yīng)的元器件與材料。

測(cè)量范圍：200～850℃。測(cè)量精度：優(yōu)于0.5級(jí)。溫度巡檢周期：1s。巡回顯示周期：以秒為單位，可選定。工作環(huán)境溫度：0～50℃。相對(duì)濕度：小于85%。供電電源：220VAC，±10%，50Hz。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8路溫度巡檢儀的硬件由主機(jī)電路、前向通道、后向通道、人機(jī)接口電路、通信接口及供電電源幾部分組成。其中，主機(jī)電路由CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、EEPROM存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、通用異步串行收發(fā)器、中斷控制器、WDT定時(shí)器及通用并行接口等部件組成；前向通道電路由Pt100轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、多路模擬開關(guān)電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成；后向通道電路由D/A轉(zhuǎn)換電路、多路模擬開關(guān)電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路組成；人機(jī)接口電路由按鍵和LED數(shù)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(tǒng)數(shù)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(jī)電路設(shè)計(jì)的核心是選擇一款恰當(dāng)?shù)那度胧教幚砥?，其處理速度、?nèi)含的存儲(chǔ)器容量、內(nèi)含的功能部件盡可能滿足系統(tǒng)要求。

8路溫度巡檢儀屬于實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性操作的硬件基礎(chǔ)是定時(shí)器。對(duì)本設(shè)計(jì)任務(wù)來講，需要1路定時(shí)器來產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作；需要1路定時(shí)器來作為串行通信的波特率產(chǎn)生器；需要1路定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換操作，因此至少需要3路定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。為了支持RS-485通信，必須有1路通用異步串行收發(fā)器UART?？撮T狗定時(shí)器（WDT，Watchdog Timer）是微機(jī)系統(tǒng)唯一完全有效的硬件抗干擾措施，因此系統(tǒng)必須采用WDT。為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)電路與前向通道、后向通道、人機(jī)接口部分的硬件接口，主機(jī)電路應(yīng)當(dāng)具備20～30個(gè)GPIO。

綜合上述各項(xiàng)要求，采用以MCS-51為內(nèi)核的美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C55WD單片機(jī)比較適宜。電源電壓監(jiān)測(cè)采用X5045出廠時(shí)默認(rèn)的數(shù)值即可。

前向通道的任務(wù)是接收溫度傳感器Pt100鉑電阻的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能夠進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)，由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路、多路模擬開關(guān)、阻抗匹配電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由9個(gè)惠斯登電橋組成，實(shí)現(xiàn)將8路Pt100溫度傳感器輸出的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。采用惠斯登電橋的方式進(jìn)行R/V轉(zhuǎn)換的主要優(yōu)點(diǎn)是，利用橋路的對(duì)稱平衡特點(diǎn)，有效地克服供電電源Va波動(dòng)，克服Pt100引線電阻影響，克服橋路電阻溫漂問題。在本設(shè)計(jì)中選用美國(guó)Intersil公司生產(chǎn)的ICL7135雙向積分生式A/D轉(zhuǎn)換器。只要將ICL7135的時(shí)鐘信號(hào)接入AT89系列單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，記錄BUSY為高電平時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)鐘周期，將所記錄的時(shí)鐘周期數(shù)減去10001后就是A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字碼。

后向通道電路由4～20mA模擬量輸出電路與超限報(bào)警開關(guān)量輸出電路兩部分組成。該電路是將所檢測(cè)的每路溫度都對(duì)應(yīng)地輸出一個(gè)與之成線性關(guān)系的4～20mA電流信號(hào)，以便根據(jù)需要供給調(diào)節(jié)器、記錄裝置或DCS系統(tǒng)。當(dāng)某路溫度超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，輸出一個(gè)機(jī)械接點(diǎn)信號(hào)，便于連接聲、光報(bào)警裝置，進(jìn)行報(bào)警提示。

人機(jī)接口電路由按鍵接口電路與顯示器接口電路組成。用3個(gè)按鍵，即可實(shí)現(xiàn)各種操作需要。智能儀器設(shè)計(jì)，必須考慮對(duì)某種網(wǎng)絡(luò)的支持，方便構(gòu)成局域測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)更高程度的集中監(jiān)控和更大范圍的數(shù)據(jù)共享，設(shè)計(jì)了以MAX487E芯片為收發(fā)器的RS-485總線通信接口電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

整機(jī)的軟件設(shè)計(jì)任務(wù)有4項(xiàng)，從實(shí)時(shí)性要求考慮，從高到低依次為：通信任務(wù)、數(shù)據(jù)采集與溫度計(jì)算、人機(jī)服務(wù)和系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化程序在開機(jī)時(shí)運(yùn)行一次即可，不在考慮范圍之內(nèi)。當(dāng)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，本機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中處于從站地位，本機(jī)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的最大時(shí)間延遲為主站發(fā)出一幀信息的時(shí)間，超過這個(gè)時(shí)間延遲，主站的調(diào)度命令得不到響應(yīng)，將降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率，因此通信任務(wù)應(yīng)作為本機(jī)最高級(jí)別任務(wù)。人機(jī)服務(wù)主要是按鍵響應(yīng)任務(wù)，人的按鍵動(dòng)作時(shí)間一般在100ms左右，只要在這個(gè)時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)即可，實(shí)時(shí)性要求不高，安排為最低級(jí)別任務(wù)。數(shù)據(jù)采集與溫度計(jì)算任務(wù)作為中間級(jí)別任務(wù)。

為了保證三項(xiàng)任務(wù)按預(yù)定優(yōu)先級(jí)別執(zhí)行，需要通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)。通信任務(wù)在串行通信中斷服務(wù)程序中完成，其中斷設(shè)置為高級(jí)中斷，數(shù)據(jù)采集與溫度計(jì)算任務(wù)安排在外部中斷服務(wù)程序中完成，其中斷設(shè)置為低級(jí)中斷，人機(jī)服務(wù)任務(wù)安排在主程序中完成。

人機(jī)服務(wù)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)儀器的操作使用，人機(jī)服務(wù)程序安排在主程序中運(yùn)行。一開始執(zhí)行主程序時(shí)，需要首先運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，初始化程序僅需開機(jī)時(shí)運(yùn)行一次。主程序僅包括初始化程序和人機(jī)服務(wù)程序。

每個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，都以中斷的形式通知CPU，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集與溫度計(jì)算都在中斷服務(wù)程序中完成。一共用了9路數(shù)據(jù)通道，0路為動(dòng)態(tài)零點(diǎn)數(shù)據(jù)，1～8路為8路溫度數(shù)據(jù)。每次采集數(shù)據(jù)通道的通道號(hào)，都存儲(chǔ)在“CH_NO”單元中。每次采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過預(yù)處理，在預(yù)處理中減掉10001個(gè)數(shù)字碼，剩余的為二進(jìn)制數(shù)形式的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字碼。為便于后級(jí)溫度計(jì)算，還要將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼形式。接下來進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)零處理，即將該通道的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字碼減去零點(diǎn)數(shù)據(jù)，則差值是消除了運(yùn)放漂移影響的、由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度決定的數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行溫度計(jì)算，且通過多路開關(guān)為A/D轉(zhuǎn)換器打開下一通道。

根據(jù)通信接口電路，可以將本儀表納入到總線拓?fù)涞腞S-485網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問方式為主從方式，主機(jī)為PC，而本儀表處于從機(jī)地位。從機(jī)在接收到主機(jī)的調(diào)度命令后，可以占用信道，將主機(jī)要求的信息發(fā)送到RS-485網(wǎng)絡(luò)中。主機(jī)通過相應(yīng)的通信協(xié)議，可以讀取從機(jī)采集的8路溫度、報(bào)警設(shè)定數(shù)據(jù)，以及重新設(shè)定從機(jī)的有關(guān)參數(shù)。凡是從機(jī)可以就地顯示和設(shè)定的參數(shù)，都可以通過主機(jī)發(fā)出相應(yīng)的命令實(shí)現(xiàn)，以提高局域測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控能力。在從機(jī)不發(fā)送信息時(shí)，處于接收狀態(tài)。

4 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，為以后能夠通過單片機(jī)編程進(jìn)行各種功能的擴(kuò)展，還增加了片外程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采集，輸出數(shù)字量與單片機(jī)直接通訊，無需外加A/D轉(zhuǎn)換器，使用更加方便。采用LMO41L液晶顯示器對(duì)八路溫度進(jìn)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(shí)顯示在屏幕上，當(dāng)有某一路或謀幾路溫度超限時(shí)，可立即觀察到是哪一路或哪兒路溫度超限，從而可以及時(shí)準(zhǔn)確的控制該路溫度回到限定范圍內(nèi)。

智能溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)目前完成的是對(duì)多路溫度的采集、處理、顯示以及對(duì)溫度報(bào)表的管理。系統(tǒng)主要分為兩大部分：在上位機(jī)通過測(cè)溫管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的巡回采集、處理、實(shí)時(shí)直觀顯示和多顯示和多溫度報(bào)表的管理；在下位機(jī)通過單片機(jī)控制各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)完成溫度轉(zhuǎn)換并與主機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊。

智能溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的集中監(jiān)視和管理，但還沒有包括相應(yīng)的反饋控制部分。因?yàn)椴煌谋O(jiān)控場(chǎng)合有不同的控制要求，可以針對(duì)具體的要求加入相應(yīng)的控制部分。這是系統(tǒng)非常值得擴(kuò)展的空間之一。目前的系統(tǒng)中作為下位機(jī)的單片機(jī)，還有很多的資源沒有利用，系統(tǒng)有充分的擴(kuò)展余地。