劉文秀, 郭偉, 余波年

摘 要：設(shè)計(jì)了一種8路溫度巡檢儀，能夠?qū)?通道循環(huán)檢測(cè)溫度，當(dāng)溫度超過(guò)上限時(shí)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。硬件上，利用半導(dǎo)體集成溫度傳感器檢測(cè)溫度，由單片機(jī)控制，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在顯示器上顯示測(cè)量出的溫度。軟件上，單片機(jī)編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)各測(cè)試點(diǎn)溫度值的檢測(cè)和集中管理。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器； 巡回檢測(cè)； A/D轉(zhuǎn)換； 液晶顯示

中圖分類號(hào)：TN87-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0124-03

Multi-channel Temperature Automatic Inspection System

LIU Wen-xiu1，GUO Wei2，YU Bo-nian1

(1. School of Automation, Shaoguan University, Shaoguan 512005, China;

2.Guangdong Shaoguan Big Jiangnan Electric Engineering Company, Shaoguan 521005, China)

Abstract： A kind of 8-channel temperature inspection instrument is designed, which can circularly detect temperature of 8-channel and realize alarm function when temperature exceeds the maximum limitation. For the hardware, integrating temperature sensor by semiconductor to detect temperature and performing the A/D conversion by single-chip microcomputer control for displaying the measured temperature on display. For the software, programming by the SCM for detecting and managing each test point temperature.

Keywords： temperature sensor; detection; A/D conversion; LCD display

0 引 言

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，許多產(chǎn)品對(duì)溫度范圍要求嚴(yán)格，對(duì)溫度的控制好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常常對(duì)溫度不僅要不斷地測(cè)量，而且要對(duì)溫度進(jìn)行控制。特別是遇到溫度超過(guò)我們?cè)O(shè)定的溫度時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)以報(bào)警的方式通知我們。目前市場(chǎng)上普遍存在的溫度檢測(cè)儀器大都是單點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)還有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度不夠的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時(shí)做出決定。在這樣的形式下，開(kāi)發(fā)一種能夠同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)，并且實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測(cè)量系統(tǒng)就很有必要。

本文介紹了一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)［1］，利用半導(dǎo)體集成溫度傳感器檢測(cè)溫度而制作的八路溫度巡檢系統(tǒng)，可通過(guò)液晶顯示器顯示溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行報(bào)警程序［2］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)主要包括五大部分：溫度信號(hào)檢測(cè)及放大部分、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換部分、溫度顯示部分及報(bào)警電路。多路溫度巡檢儀框圖如圖1所示。

圖1 多路溫度巡檢儀框圖

系統(tǒng)首先將溫度經(jīng)溫度傳感器［3］及放大電路變換成與溫度成線性關(guān)系的電壓信號(hào)，然后送到A/D轉(zhuǎn)換器，最后通過(guò)數(shù)字顯示器顯示出測(cè)量的溫度，當(dāng)溫度超過(guò)標(biāo)定的溫度時(shí)就報(bào)警。其中A/D轉(zhuǎn)換、顯示及報(bào)警都是由單片機(jī)來(lái)完成。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)電路

AD590是電流型溫度傳感器［4］，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需的溫度值。它是一種二端元件，屬于一種高阻電流源，其典型的電流溫度靈敏度是1 μA/K。由AD590組成的測(cè)溫電路如圖2所示。

圖2中的OP07是高精度低失調(diào)的精密運(yùn)放集成電路，用于微弱信號(hào)的放大，如果使用雙電源，能達(dá)到最好的放大效果。它的電源電壓范圍為-22~-3 V, 3~22 V，輸入噪聲電壓幅度為0.35 μV(0.1~10 Hz)，共模抑制比為126 dB，共模輸入電壓范圍為-14~+14 V。

圖2 由AD590組成的測(cè)溫電路

圖2中的MC1403是精密低壓基準(zhǔn)電源，一般用作8~12 b的A/D芯片的基準(zhǔn)電壓等一些需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場(chǎng)合。輸出電壓為2.5 V，靜態(tài)電流為1.2 mA，工作環(huán)境溫度為-55~+125 ℃。

因?yàn)檫\(yùn)算放大器的反相輸入端電位VN≈0 V，故由基準(zhǔn)源MC1403提供的電流為I0為：

I0=VREFRp1+R1=2.5Rp1+R1

調(diào)節(jié)Rp1即可改變I0的大小。

AD590輸出電流的溫度靈敏度為1 μA/K。設(shè)要測(cè)量的環(huán)境溫度為T(單位：℃)，則流過(guò)AD590的電流It為：

It=1×(T+273.15)=T+273.15

通過(guò)反饋支路的電流If=It－I0=T+273.15－2.5Rp1+R1，可見(jiàn)若要使If=T，只要調(diào)節(jié)電位器Rp1即可。此時(shí)放大器的輸出電壓為：

U0=(R2+Rp2)?If=(R2+Rp2)×T

若要得到10 mV/℃的靈敏度輸出，可選用R2=9.1 kΩ，Rp2=2 kΩ。故Rp1為調(diào)零電位器，Rp2為標(biāo)定靈敏度電位器。

要進(jìn)行八路溫度的巡檢，就要采用以上8個(gè)相同的溫度檢測(cè)放大電路。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，各種大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換器相繼出現(xiàn)。要對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示控制等，可以選用ADC0809和ICL7107兩種集成電路。這兩種集成電路都可以完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示控制等功能。但ADC0809比ICL7107具有外圍電路簡(jiǎn)單，容易控制的優(yōu)點(diǎn)，故選用ADC0809［5］。

ADC0809與單片機(jī)C51［6］的接口電路如圖3所示。

ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)CLK由單片機(jī)的地址鎖存允許信號(hào)ALE提供，單片機(jī)晶振頻率為12 MHz，則ALE信號(hào)經(jīng)分頻輸出為500 kHz，滿足CLK信號(hào)低于640 kHz的要求。當(dāng)P2.7和WR同時(shí)有效時(shí)，以線選方式啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換同時(shí)使ADC0809的ALE有效，P0口輸出的地址A2,A1和A0經(jīng)八位鎖存器74LS373的Q2,Q1,Q0輸出到ADC0809的ADDC,ADDB,ADDA，選定轉(zhuǎn)換通道，IN0~IN7地址為7FF8H~7FFFH;當(dāng)P2.7和RD信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，OE有效，輸出緩沖器打開(kāi)，單片機(jī)接受轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

圖3 ADC0809與C51的連接

由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，可利用8051提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。將P2.7作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)WR和P2.7控制ADC0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。由于AIE和START連接在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)，啟動(dòng)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。再讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào)RD和P2.7給一級(jí)或非門形成的正脈沖作為OE信號(hào)，用以打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。P2.7與ADC0809的ALE,START和OE之間有如下關(guān)系：

ALE=START=(WR+P2.7)

OE=(RD+P2.7)

2.3 MCS-51單片機(jī)

MCS-51是一個(gè)單片機(jī)系列產(chǎn)品［7］，具有多種芯片型號(hào)。按資源配置數(shù)量，MCS-51系列分為51和52兩個(gè)子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列則是增強(qiáng)型，以芯片型號(hào)的最末位數(shù)字的“1”和“2”作標(biāo)志。52作為增強(qiáng)型子系列，由于資源數(shù)量的增加，使其芯片的功能也有所增強(qiáng)。

系統(tǒng)的控制電路由單片機(jī)80C51為核心元件，加上外圍電路，裝入ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換程序和液晶顯示內(nèi)部程序就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。

單片機(jī)80C51的INT1腳外接電路是一報(bào)警電路，當(dāng)INT1腳輸出為高電平時(shí)不報(bào)警；當(dāng)待轉(zhuǎn)換信號(hào)超出了溫測(cè)范圍，INT1腳輸出低電平，這時(shí)就會(huì)報(bào)警。

單片機(jī)80C51內(nèi)部含有振蕩電路，就只需要在XTAL1和XTAL2這兩個(gè)管腳外接晶體振蕩器作為振蕩源，振蕩信號(hào)經(jīng)內(nèi)部電路整形作為單片機(jī)的主頻信號(hào)。在RST管腳外接了手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種復(fù)位電路。

通過(guò)T0,T1腳接的按鍵S1和S2可以實(shí)現(xiàn)選擇測(cè)溫通道，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)檢測(cè)：在檢測(cè)時(shí)，當(dāng)需要檢測(cè)顯示某個(gè)通道時(shí)，按下S1按鍵就選擇第一路溫度檢測(cè)，再按一次S1按鍵，則選擇到第二路溫度檢測(cè)，再按一次S2就顯示第一通道，以此類推，當(dāng)按到所需要的通道時(shí)，停下來(lái)就顯示該通道的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)通道檢測(cè)的切換。

2.4 溫度顯示電路

溫度顯示電路使用的是液晶顯示，液晶顯示比LED數(shù)碼管顯示要簡(jiǎn)便，外圍電路元件也較少。LCD1602是一種液晶顯示器件。

溫度顯示電路如圖4所示。

R32用于調(diào)節(jié)顯示的對(duì)比度，15腳、16腳外接一個(gè)5 V的背光電壓。

LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)到的溫度信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，程序初始化，當(dāng)送入到P0口的模擬信號(hào)是高電平，則通過(guò)P0口送入80C51進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)據(jù)處理完后經(jīng)P1口送到顯示器顯示，如送入到P0口的模擬信號(hào)不是高電平，則返回。

主程序的流程圖如圖5所示。

圖4 溫度顯示電路

圖5 主程序流程圖

中斷程序流程圖如圖6所示。A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖7所示。

圖6 中斷程序流程圖

圖7 A/D轉(zhuǎn)換流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590［9］。AD590溫度傳感器不但實(shí)現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量，而且精度高、互換性好、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便［4］，并且可把輸出的電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

總之，與水銀溫度計(jì)、銅-鎳熱電偶溫度計(jì)及半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)相比［10］，AD590具有線性好,測(cè)溫不需要參考點(diǎn)及消除電源波動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在常溫范圍內(nèi)可以取代它們，廣泛的應(yīng)用于科技和工業(yè)領(lǐng)域中。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文