夏益民　杜　敏

摘要：設(shè)計(jì)了一種以AT89C2051單片機(jī)為核心的加熱爐溫度采集系統(tǒng)。給出了該溫度采集系統(tǒng)的基本原理、電路結(jié)構(gòu)和軟件的實(shí)現(xiàn)過程。

數(shù)據(jù)采集是獲取信息的一種重要手段。數(shù)據(jù)采集以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)形成了一門綜合的應(yīng)用技術(shù)，它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的適用性。

數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于各個(gè)測(cè)試和控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)包括很多方面的內(nèi)容，涉及的面也很廣。本課題設(shè)計(jì)完成的是對(duì)爐溫的多通道采集、數(shù)碼管顯示以及PC機(jī)對(duì)溫度變化的曲線圖繪制。設(shè)計(jì)采用了模塊化的思想，條理比較清楚，主要分為硬件原理圖設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展和接口方便、連線簡(jiǎn)單、操作容易、可靠性也比較好，在多點(diǎn)溫度檢測(cè)中有很廣泛的應(yīng)用前景，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。就其采樣頻率和分辨率來(lái)說(shuō)屬于中速類型，適合對(duì)數(shù)據(jù)采樣頻率要求不是特別高的應(yīng)用場(chǎng)合。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1．硬件框圖

本設(shè)計(jì)主要包括模擬信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)整放大、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、CPU控制處理、PC機(jī)溫度曲線圖繪制與顯示以及溫度的數(shù)碼管顯示6個(gè)模塊，圖1是結(jié)構(gòu)框圖，圖2是原理圖。

該設(shè)計(jì)的大致工作流程從圖2可以看出為：

2.硬件各部分功能簡(jiǎn)介

（1） AD524信號(hào)調(diào)整放大器 基于本設(shè)計(jì)電路對(duì)信號(hào)調(diào)整放大性能的要求，及對(duì)同類芯片特點(diǎn)性能的比較，選用運(yùn)放AD524。AD524是一種低噪聲、低非線性、高信噪比的高精度的運(yùn)放器件。主要特點(diǎn)有：低補(bǔ)償電壓、低補(bǔ)償電壓漂移；引腳選擇增益1、10、100、1000；通過可變電阻可得到任意增益；輸入輸出補(bǔ)償。

（2）TLC2543串行A/D轉(zhuǎn)換器TI公司的TLC2543 12位串位A/D轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D 轉(zhuǎn)換過程。提供的最大采樣速率為66Ksps供電電流僅需1mA（典型值）。其每個(gè)器件包括片選（）、輸入輸出時(shí)鐘（I/OCLOCK）、地址輸入端（DATE INPUT）三個(gè)控制器輸入端。它還可以通過一個(gè)串行的3態(tài)輸入端（DATE OUT）與主處理器或其外圍的串行口通訊，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOC）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。本器件中的轉(zhuǎn)換結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，本器件有一個(gè)片內(nèi)的14通道多路器可以在11個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中任意選擇一個(gè)。這種形式的通道速度較慢，但硬件開銷少，對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的系統(tǒng)最為合適。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源，且價(jià)格適中。

（3）AT89C2051單片機(jī) AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司推出的一種性價(jià)比較高的8位單片機(jī)，其指令系統(tǒng)與MCS－51系統(tǒng)完全兼容。另外具有很強(qiáng)的加密功能。ATAT89C2051只有20只引腳，壓縮了I/O端口與存儲(chǔ)器容量，其余配置與功能不減，可方便地應(yīng)用于家電產(chǎn)品及小型儀器儀表，是性價(jià)比極優(yōu)的單片機(jī)。

（4）MAX232電平轉(zhuǎn)換器 EIA－RS-232C是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此為了能夠同計(jì)算機(jī)接口連接，必須在RS-232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。

MAX232芯片可完成TTL與EIA雙向電平轉(zhuǎn)換，且MAX內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，僅需＋5V電源便可工作，使用十分方便，亦可連接兩對(duì)收/發(fā)線。

（5）LED驅(qū)動(dòng)器MAX7219 MAX7219是八位串行共陰LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路，僅需使用單片機(jī)3個(gè)I/O口，即可完成對(duì)八位LED數(shù)碼管的控制和驅(qū)動(dòng)，線路非常簡(jiǎn)單，控制方便，外圍電路僅需一個(gè)電阻設(shè)定峰值段電流，同時(shí)可以通過軟件設(shè)定其顯示亮度；還可以通過級(jí)聯(lián)，完成對(duì)多于八位的數(shù)碼管的控制顯示。當(dāng)工作于關(guān)閉方式時(shí)，不僅單片機(jī)仍可對(duì)其傳送數(shù)據(jù)和修改控制方式，而且芯片耗電僅為150μA。使用方便靈活，連線簡(jiǎn)單，且不占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。

（6）其他 由于AD524的正電源電壓范圍是6～18V，負(fù)電源電壓是－6～－18V，而其他的器件都是采用的典型電源電壓＋5V和－5V。用LM7805來(lái)實(shí)現(xiàn)電源電壓轉(zhuǎn)換，使電壓統(tǒng)一。SCREEN數(shù)碼管用來(lái)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果即加熱爐溫度。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

單片機(jī)程序主要包括主程序MAIN、串行數(shù)據(jù)采集模塊"D_SAMPLE"和串行數(shù)據(jù)傳輸模塊"D_COM"。TLC2543的通道選擇和方式數(shù)據(jù)為8位，其功能為D7、D6、D5和D4，用來(lái)選擇要求轉(zhuǎn)換的通道，D7D6D5D4=0000時(shí)選擇0通道，D7D6D5D4=0001時(shí)選擇1通道，依次類推；D3和D2用來(lái)選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位，即設(shè)置D3D2=00或D3D2=10；D1、D0選擇輸入數(shù)據(jù)的導(dǎo)前位，D1D0=00選擇高位導(dǎo)前。TLC2543在每次I/O周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個(gè)I/O周期中被串行移出。主程序MAIN的程序流程如圖3，測(cè)試時(shí)用的是單通道，晶體管顯示后，直接傳到PC機(jī)上，再返回采集。在本刊的網(wǎng)站（www.eleworld.com）上給出了部分程序，供讀者參考。分模塊介紹如下：

（1）初始化程序INIT 主要是對(duì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源、串口的初始化。

（2）串行數(shù)據(jù)采集模塊D_SAM PLE 單片機(jī)通過編程產(chǎn)生串行時(shí)鐘，即由CLK先高后低的轉(zhuǎn)變提供串行時(shí)鐘；并按時(shí)序發(fā)送與接收數(shù)據(jù)位，完成通道方式/通道數(shù)據(jù)的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出；用累加器和帶進(jìn)位的左循環(huán)移位指令來(lái)合成SPI功能。程序流程圖如圖4所示。

（3）串行數(shù)據(jù)傳輸模塊D_COM 串行數(shù)據(jù)傳輸模塊應(yīng)包括串行口初始化INIT和數(shù)據(jù)傳輸程序D_COM，在此把INIT寫到總的初始化子程序中。數(shù)據(jù)傳輸程序D_COM可采用查詢方式亦可采用中斷方式，兩者可方便替換。筆者用的是中斷方式，采用MOV SBUF,A進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，一條寫SBUF指令就可啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送過程，在發(fā)送移位時(shí)鐘（由波特率確定）的同步下，從TXD先發(fā)出起始位，然后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止。這樣的一幀10位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，中斷標(biāo)志TI置位。程序流程如圖5。

（4）上位機(jī)串口接收程序設(shè)計(jì)上位機(jī)串口接收數(shù)據(jù)程序用C語(yǔ)言，包括初始化子程序和接收子程序。

（5）16進(jìn)制到BCD碼的變換程序HEXTOBCD 把原始16進(jìn)制結(jié)果存儲(chǔ)在R2、R3中，將轉(zhuǎn)換后的BCD碼結(jié)果存儲(chǔ)在起始地址是70H的緩沖區(qū)中。

（6）LED顯示驅(qū)動(dòng)程序 MAX7219是八位串行共陰LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路，每片可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED數(shù)碼管，通過對(duì)片內(nèi)的位和控制寄存器編程，可選擇譯碼方式、LED個(gè)數(shù)、顯示亮度和關(guān)閉等功能。

抗干擾措施

筆者設(shè)計(jì)的加熱爐溫度采集系統(tǒng)由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境較惡劣，各種干擾因素較多，因此必須采取有效的抗干擾措施以確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，下面介紹我們?cè)谠撓到y(tǒng)上采取的抗干擾措施。

（1）光電隔離 在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來(lái)進(jìn)行信息傳輸是很有好處的，它將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來(lái)，很大一部分干擾將被阻擋。

（2）過壓保護(hù)電路 在輸入輸出通道上應(yīng)采用一過壓保護(hù)電路，以防引入高電壓，傷害微機(jī)系統(tǒng)。過壓保護(hù)電路由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，限流電阻選擇要適宜，太大會(huì)引起信號(hào)衰減，太小起不到保護(hù)穩(wěn)壓管的作用。穩(wěn)壓管的選擇也要適宜，其穩(wěn)壓值以略高于最高傳送信號(hào)電壓為宜，太低將對(duì)有效信號(hào)起限幅效果，使信號(hào)失真。

（3）配置去耦電容原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)安置一個(gè)0.01mF的陶瓷電容器，可以消除大部分高頻干擾。

（4）良好接地 本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此數(shù)字地與模擬地要分開，最后只在一點(diǎn)相連，如果兩者不分，則會(huì)互相干擾。

結(jié)束語(yǔ)

由于微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的引用，使得溫度采集技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)大幅度提高。本文介紹的以AT89C2051單片機(jī)為核心構(gòu)成的加熱爐溫度采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的多道采集、晶體管顯示和PC機(jī)對(duì)溫度變化的曲線圖繪制。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，效果較佳。