摘 要：介紹了基于單片機(jī)的多通道溫度數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計，采用AT89C52單片機(jī)作為CPU，設(shè)計了能與多種溫度傳感器配合使用的信號調(diào)理接口電路，并且提出基于軟、硬件相互配合解決了熱電偶測量過程中冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過分析干擾對系統(tǒng)的危害性，設(shè)計了“看門狗”電路；設(shè)計了RS 485串行通信接口，以便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。同時設(shè)計了一部分和硬件配套的軟件，編寫了串行通訊程序和A/D轉(zhuǎn)換子程序。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；冷端補(bǔ)償；數(shù)據(jù)通訊;熱電偶測量

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1004373X(2008)1911004

Temperature Data Acquisition Instrument Based on the Single Chip Computer

WU Lin，YANG Lin，ZHAO Guifeng

(Dalian Polytechnic University，Dalian，116034，China)

Abstract：The design process of multi-channel data acquisition instrument based on the single chip computer is introduced.Using AT89C52 single chip computer as CPU，the interface circuit of signal mediation to interface with many sensors are designed，and a method based on software and hardware to solve the problems of cold junction compensation of thermocouple in the course of measurement.According to analyze the fatalness of the anti-jamming to the system，\"watching dog timer\"and RS 485 communication interface in order to communicate with PC are designed.At the same time，a part of corresponding software，series communication and A/D convert programmer are designed too.

Keywords：data acquisition;cold junction compensation;data communication;thermocouple measurement

在煉鋼過程中，測量鋼水的檢測環(huán)境極為惡劣，尤其是轉(zhuǎn)爐，鋼水溫度達(dá)1 500~1 700 ℃，有時甚至超過1 750 ℃，而且測量過程中鋼水液面激烈攪動，強(qiáng)烈沖刷傳感器，因此，在類似于鋼水溫度測量的特種溫度測量中，傳感器一般都有其特殊要求?，F(xiàn)場總線是用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和基于微處理器的控制室自動化系統(tǒng)間的全數(shù)字化、多站總線式的雙向多信息數(shù)字通信的通信規(guī)程，是互相操作以及數(shù)據(jù)共享的公共協(xié)議?；谶@一應(yīng)用背景，本采集器支持現(xiàn)場總線，采用RS 485標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)通訊，大大拓展了本采集器的應(yīng)用范圍。

1 溫度傳感器的選用

溫度檢測有許多方法，但本采集器應(yīng)用于高溫測量，只能處理由溫度信號轉(zhuǎn)變來的電壓信號，因此采用熱電偶來作為溫度檢測的方法。熱電偶結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格便宜、準(zhǔn)確度高、測溫范圍廣，目前己經(jīng)在許多場合應(yīng)用。

本采集器本著通用性出發(fā)，設(shè)計時考慮到應(yīng)適合多種熱電偶測量，這樣能大大提高采集器使用范圍，用戶可根據(jù)不同的測溫范圍選擇相應(yīng)的熱電偶。本采集器采用5種熱電偶，分別是：鉑銠／鉑熱電偶，鎳鉻／考銅熱電偶(雙鉑鍺)熱電偶，銅/康銅熱電偶，鎳鉻-鎳硅熱電偶。用戶可以根據(jù)實(shí)際測量溫度范圍選擇合適的熱電偶，以便滿足使用要求又不浪費(fèi)。

在一定溫度范圍內(nèi)，與所用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。若與所配用的熱電偶正確連接，其作用是將熱電偶的參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方。通過使用補(bǔ)償導(dǎo)線，可以改善熱電偶測溫線路的機(jī)械與物理性能，同時降低測量線路的成本。

在一定溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線熱電性能與熱電偶基本一致。它的作用只是把參考端移至離熱源較遠(yuǎn)或環(huán)境溫度恒定的地方，但不能消除參考端不為零度的影響，因此必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償。熱電偶冷端(參考端)通常放在室內(nèi)為室溫，則需要對查表得到的溫度進(jìn)行冷端補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的方法，通常采用冷端補(bǔ)償器來進(jìn)行冷端補(bǔ)償。每支熱電偶必須配上相應(yīng)的冷端補(bǔ)償器和補(bǔ)償導(dǎo)線，由于加入的補(bǔ)償導(dǎo)線的差異會帶入一定的誤差，而且接線較多、安裝不便。因此采用輔助測溫元件微型計算機(jī)補(bǔ)償法。該方法的基本思想是在傳感器內(nèi)靠近敏感測量元件安裝一個測溫元件，用以檢測傳感器所在環(huán)境的溫度。測溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送至計算機(jī)進(jìn)行處理。如圖1所示。

我們用的測溫元件是金屬膜電阻，它的測量精度高，價格便宜。金屬膜電阻可以用二線制、三線制、四線制接法。工業(yè)用的一般是三線制，消除導(dǎo)線電阻的測量誤差。金屬膜電阻不需用補(bǔ)償導(dǎo)線傳輸信號，用普通電纜即可傳輸信號，這樣可以降低成本。三線制接法如圖2所示。

在此電路中，銅線繞制的熱電阻Cu50起冷端補(bǔ)償作用。當(dāng)熱電偶的熱電勢EAB隨冷端溫度的變化而變化時，銅電阻Cu50兩端的電壓也隨之反方向變化，R₃的阻值根據(jù)采用的熱電阻分度號不同而取不同的值，如Pt₁00測量時取100 ℃，Cu50測量時取50 ℃。這樣才能保證參比端溫度為0 ℃所對應(yīng)的電壓輸出也是0。A和B兩點(diǎn)的電位差EAB是熱電偶參比端溫度為T0時所對應(yīng)的校正值。一般R₁＝R₂＞＞R₃。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

采集器總體框架如圖3所示。

整個采集器除感溫元件外，主要由放大電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)以及信號調(diào)理電路組成。感溫元件檢測溫度后，將溫度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，由于溫度測量元件的輸出電壓非常小，因此必須經(jīng)過放大后才能被準(zhǔn)確測量。電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.2 信號輸入部分設(shè)計

2.2.1 模擬信號輸入部分總體設(shè)計

熱電偶出來的是微弱的模擬電壓信號，首先經(jīng)過濾波電路消除干擾，然后經(jīng)過放大器將微弱的電信號放大為與A/D所匹配的輸入電壓。由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號，故需對這些信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號。該部分主要由濾波電路，一片集成運(yùn)算放大器OP07和1片8選1的模擬開CD4051組成增益可調(diào)的放大電路，輸入信號和冷端補(bǔ)償信號通過另一片8選1的模擬開關(guān)CD4051引入，采用一片ICL7135將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號送入數(shù)據(jù)存儲器。輸入部分電路如圖4所示。

2.2.2 芯片選擇與原理圖設(shè)計

（1） 濾波電路

為使信號在進(jìn)入采集電路或接口電路之前就消除或減弱這種干擾，可在信號線上加上濾波器。電阻R和電容C組成R-C濾波器。在信號線間采用R-C法濾波，會對信號造成一定損失，對于特別微弱信號，當(dāng)采用此法抑制干擾時，應(yīng)當(dāng)注意這一點(diǎn)^［1］。

（2） 模擬多路開關(guān)

在該設(shè)計中，熱電偶的冷端和采集器處于同一溫度下，為了實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償，就必須測量出所處環(huán)境的溫度，在此采用金屬膜電阻作為環(huán)境溫度的檢測元件，其輸出同樣是模擬信號，因此也必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此外，該采集器可以測試多個點(diǎn)，相應(yīng)有多路信號，為了降低成本，多路輸出的電壓信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，因此就要用到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)多路信號的選擇。選用的CD4051是單片集成的CMOS8通道模擬多路開關(guān)，它有3個輸入端A，B，C和一個禁止端INH。從A，B，C輸入的信號用來選擇8個通道中的一個。INH=1時，通道斷開，禁止模擬量輸入；當(dāng)INH=0時，通道接通，允許模擬量輸入。

（3） 放大器

熱電偶的輸出電壓經(jīng)過濾波和多路選擇開關(guān)后，將輸出電壓送給放大器進(jìn)行放大，以便放大后的輸出電壓和A/D轉(zhuǎn)換器的量程相匹配。本文選用低溫漂高精度集成運(yùn)算放大器OP07，精度可達(dá)到±0．1 ℃，滿足測量精度的要求。它輸入阻抗高，共模抑制比大，將傳感器送來的微弱直流電壓信號放大后輸出給ILC7135。由于本采集器可測量多路信號，每路信號大小不同，但又共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，因此每路信號的增益不同，為此利用多路模擬開關(guān)CD4051和運(yùn)放OP07來組成一個多增益的放大器，使它們將各自輸出的微弱電壓信號經(jīng)過不同放大倍數(shù)的放大后都能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程。

（4） A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

鑒于溫度信號的特點(diǎn)，選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。ICL7135的時鐘信號源于AT89C52的T2計數(shù)器，同時接至AT89C52的T1，利用T1計數(shù)器記錄BUSY為高電平時的時鐘周期數(shù)。BUSY信號接至AT89C52的外部中斷INT1，其意圖有兩個:第一，控制T1計數(shù)。當(dāng)T1計數(shù)器工作于方式1時，通過軟件設(shè)置GATE為“1”時，T1計數(shù)受INT1控制，當(dāng)INT1（即BUSY）為高電平時，T1可對來自外部的脈沖（即ICL7135的時鐘周期）計數(shù)，INT1為低電平時，停止計數(shù)；第二，當(dāng)BUSY信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖剿查g，以中斷形式通知CPU，讀出A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼。

（5） 看門狗電路

根據(jù)設(shè)計的要求這里選擇美國公司的X5045芯片Watchdog。該芯片集Watchdog、電壓監(jiān)控和E2PROM三種功能為一體，只占用單片機(jī)4個I/O口，可以起到可編程看門狗，監(jiān)控電源復(fù)位，斷電后保存數(shù)據(jù)等功能。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路空間的要求。本文采用的X5045的看門狗定時器對單片機(jī)提供獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。若單片機(jī)沒有訪問X5045（即表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障），看門狗將輸出RESET信號，將其RESET輸出端置為高電平。延時約200 ms后，RESET端由高電平變?yōu)榈碗娖?，將單片機(jī)復(fù)位。

電壓監(jiān)控上電時，電源電壓高于4.5 V后，經(jīng)約200 ms的穩(wěn)定時間，RESET信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑坏綦姇r，電源電壓低于4.5 V時，RESET信號立即變?yōu)楦唠娖街敝岭娫措妷夯謴?fù)穩(wěn)定為止。這樣就保證了單片機(jī)可靠復(fù)位以及電源電壓不穩(wěn)定時，單片機(jī)不會出現(xiàn)死機(jī)和錯誤動作。

（6） 通訊部分設(shè)計

本數(shù)據(jù)采集器是支持現(xiàn)場總線的，它和主機(jī)之間就應(yīng)該能夠進(jìn)行相互通訊，互傳數(shù)據(jù)信息，這種信息的交換和傳輸通過通信接口和數(shù)據(jù)總線來進(jìn)行?；诒驹O(shè)計的實(shí)際應(yīng)用性，我選擇RS 485接口。RS 485接口芯片采用MAX487E，這種芯片功耗低，采用一對雙絞線實(shí)現(xiàn)半雙工RS 485網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mb/s，通信距離可達(dá)1 200 m^［2］。

（7） 電源模塊設(shè)計

本設(shè)計中需要的電源有模擬電源±5 V，數(shù)字電源+5 V。由于工業(yè)現(xiàn)場提供的是24 V直流電，這就需要實(shí)現(xiàn)DC-DC之間的變換。本文選用常用的DC-DC轉(zhuǎn)換器MC34063，它是一種單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個占空比周期控制振蕩器驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5 A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

模擬電源和數(shù)字電源混合供電，彼此之間會產(chǎn)生干擾，供電電源的不穩(wěn)定會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的精度。為了減少干擾的影響，模擬電源和數(shù)字電源應(yīng)采取隔離措施，分別供電。在此采用隔離變壓器將系統(tǒng)中的數(shù)字5 V和模擬5 V隔開。單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用各種穩(wěn)壓器以提供系統(tǒng)所需的各種電源。78、79系列集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器。

3 軟件設(shè)計

3.1 采集器軟件總體設(shè)計

整個溫度檢測過程是在程序控制下工作的，該采集器的軟件全部采用匯編語言編寫，以提高采集器的快速性和實(shí)時性。其設(shè)計方法與硬件設(shè)計相對應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計思想，將該部分設(shè)計劃分為相應(yīng)的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計、編制和調(diào)試，最后通過主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。整個軟件系統(tǒng)主要有以下幾部分:主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)變換處理、串行通訊及系統(tǒng)監(jiān)控等程序。

3.2 主程序設(shè)計

采集器的主程序設(shè)計主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各程序模塊的連接。本采集器軟件設(shè)計串行通訊程序級別最高，單片機(jī)首先檢測上位機(jī)是否有命令，如果有則按其命令要求執(zhí)行。如果沒有則執(zhí)行別的任務(wù)。程序框圖如圖5所示。

3.3 數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計

該部分主要實(shí)現(xiàn)將來自熱電偶傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的功能。由電路連接圖可知，ICL7135轉(zhuǎn)換器工作于中斷方式。當(dāng)ICL7135轉(zhuǎn)換完畢時，BUSY由高電平變?yōu)榈碗娖?，通過INT0而向AT89C52請求中斷。該程序主要有A/D轉(zhuǎn)換器啟動程序、中斷等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并存入RAM等幾步。程序框圖如圖6所示。

3.4 串行通訊程序設(shè)計

AT89系列單片機(jī)內(nèi)部有一個功能很強(qiáng)的全雙工串行口，該口有四種工作方式，以供不同場合使用。波特率可以由軟件設(shè)置，由片內(nèi)的定時器/計數(shù)器產(chǎn)生。接收、發(fā)送均可工作在查詢方式和中斷方式，使用十分靈活。AT89系列單片機(jī)內(nèi)部的串行口，有2個物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SUBF，可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入數(shù)據(jù)不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入，兩個緩沖器占用同一地址(99H)。

為了確保通訊成功，通訊雙方必須在軟件上有一系列的約定，即軟件協(xié)議。本程序約定如下：

(1) 波特率設(shè)置：T1方式2工作，波特率9 600，計數(shù)常數(shù)FAH，晶振11.059 2 MHz，SMOD=1。

(2) 串行口初始化：方式1，允許接收。

(3) 中斷服務(wù)程序入口：0023H。

為了保證通訊的可靠性，通常波特率相對誤差不大于2.5%，這一點(diǎn)在設(shè)置波特率時要注意^［3］。

程序流程圖如圖7所示。

參考文獻(xiàn)

［1］劉君華.現(xiàn)代檢測技術(shù)與測試系統(tǒng)設(shè)計［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.

［2］MAX481E/MAX483E/MAX485E/MAX487E-MAX491E/MAX1487E，±15KV ESD-Protected，Slew-Rate-Limited，low-Power，RS 485/RS 422 Transceivers，Maxim Integrated Products.

［3］張毅剛，彭喜源，潭曉昀，等.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計［M］.2版．黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［4］高光天.傳感器與信號調(diào)理器件應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［5］何道清.傳感器與傳感器技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［6］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

［7］楊振江.A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)與實(shí)用線路［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.1996.

［8］Stratakos Anthony John.High-efficiency Low-voltage DC-DC Conversion for Portable Applications ［D］.University of California，Berkeley，1998.

［9］馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.